Estudo de um fotodiodo Schottky híbrido à base de ZnO/AuNPs e PEDOT:PSS visando aplicações como sensor UV-VIS

Abstract

O Brasil está localizado em uma faixa do globo terrestre que é altamente exposta a radiação ultravioleta, o que torna o monitoramento da exposição a esse tipo de radiação de grande interesse tecnológico e de saúde pública. Para alcançar esse objetivo, uma abordagem viável é a fabricação de dispositivos eletrônicos impressos com materiais que respondam à faixa de detecção do ultravioleta (UV) e possam ser processados por solução. Dentre os materiais disponíveis, o óxido de zinco (ZnO) se destaca por ser amplamente conhecido e facilmente obtido por solução, além de responder especificamente à faixa A do ultravioleta (UVA), que incide em maior quantidade sobre a superfície terrestre. Para aumentar a sensibilidade do ZnO, é possível introduzir nanopartículas de ouro em seu volume, utilizando a Separação de Cargas Induzida por Plasmon (PICS). Essa técnica tem o potencial de ampliar consideravelmente a sensibilidade do ZnO à radiação UVA. Um dispositivo eletrônico com ampla relevância tanto em estudos de interfaces quanto em aplicações práticas é o diodo, considerado o "quinta-essencial" elemento da eletrônica. Nesse contexto, foram realizados estudos em um fotodiodo de barreira Schottky baseado em ZnO com nanopartículas de ouro (AuNP) inseridas em seu volume. O dispositivo contendo AuNPs, apresentou uma razão de retificação de ~103, uma altura de barreira Schottky de 0,9 eV e uma resistência em série de ~105 Ω. Vale ressaltar que o fator de idealidade do dispositivo padrão foi de 2,7, enquanto o dispositivo com AuNPs obteve um fator de idealidade de 2,4, evidenciando que ambos apresentam efeitos predominantes de resistência em série e paralelo, divergindo, assim, da teoria de emissão termiônica. Além disso, medidas de capacitância e perda dielétrica revelaram efeitos atribuídos à presença das nanopartículas de ouro, como a ocorrência de um pico característico na curva de perda dielétrica em função do aumento da capacitância. Notavelmente, a capacitância do dispositivo com AuNPs quando exposto à radiação UV foi aproximadamente quatro vezes maior em comparação ao dispositivo sem nanopartículas. Em suma, foi desenvolvido um diodo Schottky altamente sensível à radiação UVA, devido a inserção de AuNPs no volume do ZnO.

Brazil is located in a region of the Earth's globe that is highly exposed to ultraviolet (UV) radiation, making monitoring exposure to this type of radiation of great technological and public health interest. To achieve this objective, a viable approach is the fabrication of printed electronic devices with materials that respond to the UV detection range and can be processed by solution. Among the available materials, zinc oxide (ZnO) stands out for being widely known and easily obtained by solution, in addition to specifically responding to the A range of ultraviolet (UVA) radiation, which is more prevalent on the Earth's surface. To enhance the ZnO sensitivity, it is possible to introduce gold nanoparticles (AuNPs) into its volume using Plasmon-Induced Charge Separation (PICS). This technique has the potential to increase the sensitivity of ZnO to UVA radiation significantly. A widely relevant electronic device in both interface studies and practical applications is the diode, considered a "quintessential" element of electronics. In this context, studies were conducted on a Schottky barrier photodiode based on ZnO with AuNPs embedded in its volume. The device containing AuNPs exhibited a rectification ratio of ~10 3 , a Schottky barrier height of 0.9 eV, and a series resistance of ~10 5 Ω. It is worth noting that the ideality factor of the standard device was 2.7, while the device with AuNPs achieved an ideality factor of 2.4, indicating that both devices exhibit predominant effects of series and parallel resistance, deviating from the thermionic emission theory. In addition, capacitance and dielectric loss measurements revealed effects attributed to the presence of gold nanoparticles, such as the occurrence of a characteristic peak in the dielectric loss curve as capacitance increased. Notably, the capacitance of the device with AuNPs when exposed to UV radiation was approximately four times higher compared to the device without nanoparticles. In summary, a highly sensitive Schottky photodiode to UVA radiation was developed by introducing AuNPs into the volume of ZnO.