Dispositivos funcionais de ZIF-8 e ZnO derivado de ZIF-8 - Fingolo, Ana Claudia [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022)
As Estruturas Metalorgânicas (MOF, do inglês Metal Organic Framework) são compostos que tem atraído bastante atenção nas últimas décadas devido as suas características de alta porosidade, cristalinidade e versatilidade pois apresentam amplas possibilidades de funcionalização. Um exemplo de destaque desta classe é o ZIF-8 formado por íons zinco e o ligante 2-metilimidazol. Este material apresenta alta estabilidade química, além das características comuns dos MOFs. Quando aquecido acima de ~450 °C, a oxidação dos íons Zn do ZIF-8 gera ZnO com alta porosidade devido a estrutura do precursor, enquanto a degradação do ligante orgânico leva a formação de uma matriz de carbono condutor. A presença do carbono condutor pode melhorar as propriedades elétricas deste material resultante, o que pode auxiliar em diversas aplicações deste semicondutor. Por este motivo, neste trabalho foram testados três métodos para a formação de ZnO derivado de ZIF-8 de forma localizada, com boa resolução espacial, visando sua aplicação em dispositivos baseados em filmes finos. Os métodos utilizados foram: a Oxidação Anódica Local, utilizando um microscópio de AFM, o tratamento com laser acoplado a um espectrômetro Raman e o tratamento térmico baseado no Efeito Joule em dispositivos fabricados usando técnicas de microfabricação e deposição de filmes finos. A estrutura cristalina dos filmes depositados foi avaliada por DRX, confirmando a formação de ZIF-8. Após o tratamento térmico, houve um grande encolhimento da estrutura, como visto em imagens de topografia obtidas por AFM. Os grupos funcionais presentes no filme também sofreram mudanças, como observado por espectroscopia Raman, com o surgimento de dois picos característicos do ZnO. Foi observada uma grande mudança no comportamento elétrico dos filmes, com um aumento de pelo menos cinco ordens de grandeza na corrente máxima alcançada em curvas I vs V de 0 a 2 V realizadas em um analisador de semicondutores.

Metal Organic Frameworks (MOF) are a class of materials that have attracted great attention in recent decades due to its characteristic’s high porosity, crystallinity, and versatility with wide possibilities of functionalization. These compounds are formed by a metallic center, composed of an ion or cluster, coordinated to organic ligands. A prominent example of this class is ZIF-8, which is formed by zinc ions and 2-methylimidazole as ligand. This material has high chemical and physical stability in addition to the most common characteristics of MOFs. When heated above ~450 °C, Zn ions oxidation leads to ZnO formation, with high porosity due to precursor structure, while organic ligand degradation leads to a conductive carbon matrix formation. Conductive carbon presence can improve the electrical properties of the resulting material, which can be an advantage in several applications of this semiconductor. In this work, three methods for the formation of ZnO derived from ZIF-8 with spatial resolution were tested, aiming its application in thin-film-based devices. The treatment methods were: Local Anodic Oxidation (LAO) using an atomic force microscope (AFM), laser treatment coupled to a Raman spectrometer and thermal treatment based on Joule Heating on devices manufactured by photolithography. The films’ crystalline structure was analyzed by XRD, and the formation of ZIF-8 was confirmed. After thermal treatment a large structure shrinkage was observed in topography images obtained by AFM. The functional groups present in the films suffered changes as observed through Raman spectroscopy. After treatment two peaks belonging to ZnO were seen. Electrical behavior of the films was compared before and after thermal treatment using a semiconductor analyzer and a probe station. An increase of at least five orders of magnitude was observed for the maximum current obtained in IvsV curves from 0 to 2V.
ZIF-8 and ZIF-8 derived ZnO functional devices
Keywords: Estruturas organicas metálicas (MOF); Filmes finos; Materiais nanoestruturados; Thin-films; ZIF-8 derived ZnO; Nanodevices