Propriedades físicas de filmes finos de BiFeO3 com variações composicionais em torno da estequiometria

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Data

2022-12-16

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

Filmes finos do multiferroico BiFeO3 com variação composicional em torno da composição estequiométrica foram preparados sobre substratos Pt/TiO2/SiO2/Si(100), usando um método químico da rota do ácido acético, com objetivo de analisar as propriedades estruturais, elétricas e fotovoltaicas em termos do crescimento da razão Bi/Fe. As propriedades estruturais foram estudadas por difração de raios X, microscopia de força atômica (AFM), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS). As propriedades elétricas foram analisadas com base na relaxação dielétrica, condutividade elétrica e condutividade local através do grão e do contorno de grão, e também por medidas de densidade de corrente em função do campo, realizadas com e sem iluminação. E, por fim, as propriedades fotovoltaicas foram estudadas pela medida da densidade da fotocorrente em função do tempo. Os resultados de difração de raios X mostraram a obtenção de uma fase cristalina do BiFeO3 após o tratamento térmico a 600 ºC/30 min sem a presença de fase secundária. As imagens de AFM apresentaram uma topografia aproximadamente regular e similar, e as imagens de MEV evidenciaram a formação de filmes homogêneos e livres de trincas. A caracterização elétrica dos filmes foi realizada utilizando espectroscopia de impedância (EI) em função da temperatura e da frequência. Pôde-se observar que os resultados obtidos das energias de ativação do grão (g) e do contorno de grão (gb) da condutividade DC e do tempo de relaxação indicaram que o mecanismo de salto de portador de carga (hopping) é responsável pela relaxação e pela condução elétrica e que, provavelmente, os valores das energias de ativação estão associados à segunda ionização de vacâncias de oxigênio. O maior valor de corrente de fuga foi obtido para o filme com 18% de deficiência de bismuto, e o menor valor foi para o filme estequiométrico. Já o maior valor de densidade de fotocorrente obtida (J_SC ~ 4,14 μA/〖cm〗^2) foi para o filme com 15% de deficiência de bismuto; e o menor valor (J_SC ~ 0,22 μA/〖cm〗^2), para os filmes com 20% de deficiência de bismuto e 2% de excesso de bismuto, respectivamente. Apesar de os resultados da medida da corrente de fuga e da medida de densidade de fotocorrente não apresentarem uma relação direta entre elas, eles são um indicativo de que a fotocorrente nesses filmes é dominada, provavelmente, por uma combinação de defeitos.
Thin films of the multiferroic BiFeO3 with compositional variation in the vicinity of the stoichiometric composition were prepared on Pt/TiO2/SiO2/Si(100) substrates, using a chemical method of the acetic acid route, in order to analyze the structural, electrical and photovoltaic properties in terms of increasing Bi/Fe ratio. Structural properties were studied by X-ray diffraction, atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The electrical properties were analyzed based on dielectric relaxation, electrical conductivity and local conductivity across the grain and the grain boundary, and also by measurements of current density as a function of field, performed with and without lighting. Finally, the photovoltaic properties were studied by measuring the photocurrent density as a function of time. The results of X-ray diffraction showed the obtaining of a crystalline phase of BiFeO3 after heat treatment at 600 ºC/30 min without the presence of secondary phases. AFM images showed an approximately regular and similar topography, and the SEM images showed the formation of homogeneous and crack-free films. The electrical characterization of the films was performed using impedance spectroscopy (IS) as a function of temperature and frequency. From the results obtained for DC conductivity activation energies on grain (g) and grain boundary (gb) and for the relaxation times indicated that a charge carrier hopping mechanism is responsible for the relaxation and by electrical conduction and that, probably, the values of activation energies are associated with the second ionization of oxygen vacancies. The highest leakage current value was obtained for the film with 18% bismuth deficiency, and the lowest value was for the stoichiometric film. The highest photocurrent density value (J_SC ~ 4,14 μA/〖cm〗^2) was obtained for the film with 15% bismuth deficiency, whereas the lowest value (J_SC ~ 0,22 μA/〖cm〗^2) was obtained for films with 20% bismuth deficiency and 2% bismuth excess, respectively. Although the results of the leakage current and the photocurrent density measurements do not show a direct relationship between them, they are an indication that the photocurrent in these films is probably dominated by a combination of defects.

Descrição

Palavras-chave

Ferrita de bismuto, Estequiometria, Propriedades elétricas, Bismuth ferrite, Stoichiometry, Electrical properties

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