Preparação e caracterização de alvos e filmes finos de ZnO dopado com Al

Abstract

O ZnO é um material cerâmico com características de semicondutor, que vem sendo amplamente empregado em dispositivos óptico-eletrônico, devido às suas propriedades. Visando algumas aplicações, como, por exemplo, sensores de gases tóxicos, a estrutura do ZnO pode ser alterada, buscando uma maior eficiência, bem como, ampliar sua seletividade. Este trabalho propõe um estudo sobre filmes finos de ZnO e ZnO dopados com Al, depositados via magnetron sputtering, para aplicações em sensores de gases. Para isso, foram produzidos alvos cerâmicos de ZnO e ZnO dopado com 1, 2 e 3% em mol de Al, por reação de estado sólido. Os alvos foram compactados à 65MPa, sinterizados à 950C e caracterizados por DRX e densidade aparente. Os resultados mostraram os alvos com percentuais de dopante de 2 e 3% apresentam a precipitação de uma fase secundária de aluminato de zinco. Todos os alvos tiveram densidade acima de 74% da densidade teoria. Os filmes cerâmicos depositados, usando estes alvos, em tempos de 30, 60 e 120 min, foram caracterizados por DRX, perfilometria, MEV e AFM. Os resultados mostraram um crescimento preferencial no plano (002) da estrutura cristalina da fase Wurtzita (ZnO), porém, nenhum deles apresentou a fase secundária de aluminato de zinco, observada nos alvos. Os filmes mostraram um aumento na espessura de acordo com o tempo de deposição da mesma forma que o tamanho das partículas. Por outro lado, com o aumento do percentual de dopante na rede ZnO, o tamanho de partículas diminui, porém, a rugosidade dos filmes aumenta. Os resultados mostraram que todos os filmes são sensíveis ao gás, mesmo em concentrações pequenas (50 ppb). Porém, a dopagem com Al diminui a sensibilidade ao gás O3.

ZnO is a ceramic material with semiconductor characteristics widely employed in optoelectronic devices due to its properties. For certain applications, such as toxic gas sensors, the ZnO structure can be altered to enhance efficiency and increase selectivity. This study proposes an investigation of ZnO and Al-doped ZnO thin films, deposited via magnetron sputtering, for gas sensor applications. To achieve this, ZnO and ZnO doped with 1, 2, and 3 mol% Al ceramic targets were produced through a solid-state reaction. The targets were compacted at 65MPa, sintered at 950°C, and characterized by X-ray diffraction (XRD) and apparent density measurements. The results showed that targets with 2 and 3% Al dopant exhibited zinc aluminate as a secondary phase. All targets had densities above 74% of theoretical density. The ceramic films were deposited at 30, 60, and 120 minutes, using these targets, and characterized by XRD, profilometry, scanning electron microscopy (SEM), and atomic force microscopy (AFM). The results revealed preferential growth on the (002) plane of the Wurtzite (ZnO) crystalline structure; however, none exhibited the secondary phase of zinc aluminate observed in the targets. The films showed an increase in thickness according to deposition time and grain size observed by SEM images. On the other hand, as the dopant percentage in the ZnO lattice increased, particle size decreased, but film roughness increased. These results indicate that the ceramic targets of ZnO and Al-doped ZnO production allow for obtaining films with the desired physical characteristics for gas sensor applications. The films were subjected to ozone gas (O3) sensitivity testing. The results showed that all the films are sensitive to the gas, even at low concentrations (50 ppb).