Acoplamento de filmes finos do semicondutor óxido SnO2 com derivados quinolínicos para aplicações optoeletrônicas - Fonseca, Lucas Prado [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
Neste trabalho foi realizado deposição de filmes finos de dióxido de estanho e do derivado quinolínico (DQ) (4-(6-(dietilamina) -4 - fenilquinolina- 2-yl) ácido benzoico), com posterior acoplamento do DQ junto ao dióxido de estanho, que é um óxido semicondutor metálico que possui algumas características interessantes em relação a sua aplicação em optoeletrônica, como sua alta transparência, grande estabilidade mecânica, alta condutividade elétrica dependendo do método de deposição. SnO2 é definido como um semicondutor naturalmente do tipo-n devido a átomos insterticiais de estanho e vacâncias de oxigênio em sua matriz, agindo como doadores de elétrons. O DQ foi dissolvido em diferentes solventes e, ainda que testadas várias técnicas de deposição, os filmes obtidos pela técnica de spin-coating mostraram melhores características ópticas, morfológicas, e elétricas, como transmitância acima de 80 % para os filmes de uma camada e acima de 70% para três camadas depositadas. A absorção óptica do derivado quinolínico é caracterizada por bandas em torno de 410 e 305 nm o que são confirmadas devido a excitação óptica proveniente de diferentes fontes de luz, como Laser de He-Cd (325 nm) e LED de InGaN de 450 nm de emissão, observadas pela variação da intensidade da corrente elétrica medida com essas fontes de luz. Medidas de fluorescência mostraram emissão óptica na faixa do azul, entre 470-485 nm com influência do solvente utilizado em solução, o que não ocorreu para os filmes, devido a evaporação do solvente. Tanto o dióxido de estanho quanto o derivado quinolínico apresentaram um grande aumento na condutividade elétrica quando aquecidos de 300 a 495 K, o que levou a estimativa da energia de ativação dos níveis mais profundos de defeitos de ambos os materiais, obtendo os valores de 1,08 eV, para o SnO2, 0,465 eV para o DQ depositado utilizando THF na solução precursora e 0,448 eV utilizando acetona, indicando defeitos mais rasos para o DQ em comparação ao SnO2 (embora ainda sejam bem profundos) como também uma baixa diferença nos valores a respeito do solvente utilizado. O aumento da corrente elétrica com aumento da temperatura é um grande indicativo do comportamento semicondutor de ambos os materiais. Alta transparência e homogeneidade da superfície foram observadas para as heteroestruturas. Foram realizados testes elétricos nos dispositivos com contatos inferiores paralelos e contatos transversais. No perfil perpendicular dos contatos foi observado um comportamento retificador com aumento exponencial da corrente elétrica para polarização positiva quando aplicado uma tensão de + 10 V mudando de um valor de 35 nA para 1,12 μA quando atingido + 50 V, para o dispositivo com DQ em THF. Já para o dispositivo com DQ em acetona foi observado um aumento de 16 nA aplicando +14 V para 570 nA em +50V. Com o perfil paralelo dos contatos foi observado uma espécie de condução interfacial entre os materiais, indicando a formação de um canal similar a um 2DEG entre os materiais, a qual é destruída com a elevação da temperatura.

In this work, deposition of thin films of tin dioxide and quinolinic derivative (QD) (4-(6(diethylamine)-4-phenylquinoline-2-yl) benzoic acid was performed, with subsequent coupling of QD with tin dioxide, a metal semiconductor oxide that has some interesting characteristics for application in optoelectronics, such as its high transparency, elevated mechanical stability and high electrical conductivity depending on the deposition method. SnO2 is defined as a naturally n-type semiconductor due to tin interstitial atoms and oxygen vacancies, acting as electron donors in the matrix. QD was dissolved in different solvents and, although several deposition techniques were tested, the films obtained by the spin-coating technique showed better optical, morphological, and electrical characteristics, such as transmittance above 80% for single-layer films and above 70% for three-layer deposited films. The optical absorption of the quinolinic derivative is characterized by bands around 410 and 305 nm, which are confirmed due to the optical excitation coming from different light sources, such as He-Cd laser (325 nm) and InGaN LED (450 nm), observed by the variation in the intensity of the electric current measured with these light sources. Fluorescence measurements showed optical emission in the blue range, between 470-485 nm with the influence of the solvent used in solution, which did not occur for the films, due to solvent evaporation. Both the tin dioxide and the quinoline derivative showed a large increase in electrical conductivity when heated from 300 to 495 K, which led to the estimation of the activation energy of the deepest defect levels in both materials, obtaining the values of 1.08 eV for SnO2, 0.465 eV for QD deposited using THF as precursor solution and 0.448 eV using acetone, indicating shallower defects (although they are still quite deep) for QD compared to SnO2, as well as a low difference in the values for distinct solvents. The increase in electric current with increasing temperature is a great indication of the semiconductor behavior of both materials. High transparency and surface homogeneity were observed for the heterostructures. Electrical tests were performed on devices with parallel bottom contacts and transverse contacts. In the perpendicular profile of the contacts, a rectifying behavior was observed with exponential increase of the electric current for positive polarization when a voltage of + 10 V was applied, changing from a value of the order of 35 nA to 1.12 μA when + 50 V was reached, for the device with DQ in THF. On the other hand, for the device with DQ in acetone, an increase from 16 nA was observed by applying +14 V to 570 nA at +50V. With the parallel profile of the contacts, a kind of interfacial conduction between the materials was observed, indicating the formation of a channel similar to a 2DEG between the layers, which is destroyed with the increase in temperature.
Coupling of SnO2 oxide semiconductor thin films with quinoline derivatives for optoelectronic applications
Keywords: Semicondutores óxidos; Semicondutores orgânicos; Filmes finos; Heteroestrutura; Dispositivos optoeletrônicos; Oxide semiconductors; Organic semiconductors; Thin films; Heteroestructure; Optoeletronic devices