Investigação de propriedades de filmes finos de TiO2 e da heteroestrutura SnO2:4%Sb/TiO2
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Data
2018-02-08
Autores
Ramos Júnior, Roberto de Aguiar
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Este trabalho traz o estudo das propriedades óticas, elétricas e morfológicas do material TiO2 de forma individual e acoplado com SnO2 dopado com 4at%Sb, formando uma heteroestrutura. Tanto TiO2 quanto a heteroestrutura foram trabalhados na forma de filmes finos depositados pelo método sol-gel-dip-coating, e, no caso do TiO2 também foi relevante sua análise em forma de pós prensados (pastilhas). No que diz respeito ao SnO2:4%Sb, este trabalho traz uma revisão literária de suas principais propriedades, buscando apresentar um panorama geral, pois com isto pode-se entender melhor os fenômenos que ocorrem na heteroestrutura. Os resultados das pastilhas de TiO2 indicam uma transição parcial de fase anatase/rutilo para tratamentos térmicos entre 500ºC e 1000ºC, confirmadas pela fotoluminescência, que apresentou bandas relacionadas a fase anatase ou rutilo, dependendo do processamento utilizado. Filmes de TiO2 mostraram boa foto sensibilidade, com a corrente elétrica respondendo imediatamente à excitação independente da energia, além de um rápido decaimento com relação ao valor excitado. Fora isto, medidas de decaimento da corrente foto induzida, realizadas em atmosfera de O2, indicaram que o decaimento se torna ainda mais rápido na presença do gás, estando associado ao aprisionamento de portadores de carga pelas moléculas adsorvidas na amostra, além da recombinação dos pares elétron-buraco. Com relação à heteroestrutura, quando a condução ocorre preferencialmente no TiO2, a amostra apresenta resultados muito similares às dos filmes de TiO2, tendo uma rápida resposta à excitação com fonte de luz acima do bandgap do TiO2 e um rápido retorno para seu estado de equilíbrio, no escuro. Entretanto, em atmosfera gasosa, o decaimento se torna muito mais rápido, o que também está associado ao aprisionamento de portadores pelas moléculas adsorvidas de gás. Porém, o aumento na taxa com que isto acontece, está relacionado à formação da heteroestrutura e às compensações de carga na interface, que podem ocorrer quando a excitação utiliza comprimento de onda adequado. A configuração lado a lado da heteroestrutura mostrou emissão Poole – Frenkel para tensões maiores que 40V, e quando irradiada com luz que simula o espectro solar apresentou uma região de resistência negativa para algumas potências de excitação que pode estar ligada ao aprisionamento de elétrons na interface. Desta forma, este trabalho visa trazer uma contribuição importante à compreensão do mecanismo de transporte elétrico dos materiais estudados. Por fim, pode-se dizer que os materiais aqui estudados podem ser aplicados como sensores de gás ou dispositivos retificadores/amplificadores desde que seja escolhida a melhor configuração para a aplicação desejada.
This work presents a study of the optical, electrical and morphological characterization of TiO2 thin films, deposited individually or coupled with SnO2 doped with 4at%Sb, forming a heterostructure. Both sort of samples, TiO2 and the heterostructure were studied in thin film form, deposited by sol-gel-dip-coating, and, in the case of TiO2, it was relevant the analysis of samples also in the form of pellets form (pressed powders). With regards to SnO2:4%Sb, this work brings a literary revision of its principal properties, trying to present a general overview, for the better understanding of the phenomena that occur in the heterostructure. The results of TiO2 pellets indicates a partial anatase/rutile phase transition to thermal annealing between 500 and 1000ºC, confirmed by the photoluminescence that presented bands related to anatase or rutile, depending the utilized processing. TiO2 films showed fair photo-sensibility, with immediate response on the electric current to light excitation, independent on the utilized energy, along with fast decay in relation to the excited value. Moreover, photo-induced current decay measurements, performed in O2 atmosphere, indicated that the decay becomes faster in gas presence, being associated to charge carriers trapping by the adsorbed molecules on sample, besides the electron-hole recombination. Concerning the heterostructure, when the conduction occurs preferentially in TiO2 layer, the sample shows very similar results to the TiO2 films, with a fast response to light excitation above the TiO2 bandgap and fast return to the equilibrium state, in dark. However, in gas atmosphere, the decay becomes much faster, which is also associated to the carriers trapping by the gas adsorbed molecules. Nevertheless, the rate increase in this phenomenon is related to the heterostructure formation and the charge compensations at the interface, which may occur when appropriate wavelength is used for excitation. The side by side heterostructure sample showed a Poole – Frenkel emission to bias higher than 40V, and presented a negative resistance region to some irradiation power when illuminated with solar light that can be associated to electrons trapping at the interface. In summary, this work aims to bring a contribution related to the electric transport mechanism of the studied materials. The materials investigated here may be applied in gas sensors or rectifiers/amplifiers devices, according the sample configuration.
This work presents a study of the optical, electrical and morphological characterization of TiO2 thin films, deposited individually or coupled with SnO2 doped with 4at%Sb, forming a heterostructure. Both sort of samples, TiO2 and the heterostructure were studied in thin film form, deposited by sol-gel-dip-coating, and, in the case of TiO2, it was relevant the analysis of samples also in the form of pellets form (pressed powders). With regards to SnO2:4%Sb, this work brings a literary revision of its principal properties, trying to present a general overview, for the better understanding of the phenomena that occur in the heterostructure. The results of TiO2 pellets indicates a partial anatase/rutile phase transition to thermal annealing between 500 and 1000ºC, confirmed by the photoluminescence that presented bands related to anatase or rutile, depending the utilized processing. TiO2 films showed fair photo-sensibility, with immediate response on the electric current to light excitation, independent on the utilized energy, along with fast decay in relation to the excited value. Moreover, photo-induced current decay measurements, performed in O2 atmosphere, indicated that the decay becomes faster in gas presence, being associated to charge carriers trapping by the adsorbed molecules on sample, besides the electron-hole recombination. Concerning the heterostructure, when the conduction occurs preferentially in TiO2 layer, the sample shows very similar results to the TiO2 films, with a fast response to light excitation above the TiO2 bandgap and fast return to the equilibrium state, in dark. However, in gas atmosphere, the decay becomes much faster, which is also associated to the carriers trapping by the gas adsorbed molecules. Nevertheless, the rate increase in this phenomenon is related to the heterostructure formation and the charge compensations at the interface, which may occur when appropriate wavelength is used for excitation. The side by side heterostructure sample showed a Poole – Frenkel emission to bias higher than 40V, and presented a negative resistance region to some irradiation power when illuminated with solar light that can be associated to electrons trapping at the interface. In summary, this work aims to bring a contribution related to the electric transport mechanism of the studied materials. The materials investigated here may be applied in gas sensors or rectifiers/amplifiers devices, according the sample configuration.
Descrição
Palavras-chave
TiO2, SnO2, Heteroestrutura, Fotoluminescência, Caracterização elétrica, Heterostructure, Photoluminescence, Electrical characterization