Preparação por rota química de filmes finos e pós nanoparticulados de Ta2O5 para aplicação como sensor de umidade

• Ano de defesa: 2007
• Autor(a) principal: Danilo Manzani
• Orientador(a): Sonia Maria Zanetti, Maria do Carmo de Andrade Nono
• Banca de defesa: Eliana Navarro dos Santos Muccillo
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: Tantalum pentoxide (Ta$ _2$ O$ _5$ ) has been considered an important material for microelectronic aplications in various fields, such as gate insulators in metal-oxide-semiconductor (MOS) devices, optical coatings, anti-reflection coatings, coatings for hot mirrors and sensors. The interest in this material comes from its remarkable properties, such as the high dielectric constant (k = 24) and its chemical and thermal stability. In this research, nanosized-Ta$ _2$ O$ _5$ powder and thin films have been prepared from a soft-chemical solution route based on the polymeric precursor method. The Ta$ _2$ O$ _5$ thin films were prepared by dipping different substrates, such as Si(100), Pt(111)/Ti/SiO$ _2$ /Si(100) and fused quartz, in the deposition solution followed by a thermal treatment at 800°C for phase crystallization. The influence of different substrates on phase crystallization and film morphology was analyzed by Atomic Force Microscopy and X-ray Diffraction, respectively. The Ta_2O_5 sensor elements were prepared as pellet (thermal treated pressed powder) or as thin film. For thermal treatment there were used, either, a conventional electrical oven, or a domestic microwave oven. The sensitivity of both resistive-type and capacitive-type humidity sensors, made of nanometer tantalum pentoxide (Ta_2O_5), are reported. The impedance and capacitance measurements were performed at room temperature under different relative humidity (11-97%) in three frequency levels: 100 Hz, 1 kHz and 10 kHz. The results show that the films instantaneously respond to humidity changes and that the bulk sensors have a high linearity in the commercial relative humidity range (from 20% to 80%), no matter the oven used. Moreover, the microwave thermal treatment shows to be extremely cost-effective for preparing sensor elements, been 12-times shorter than the treatment in the conventional electric oven, and less energy consuming.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m17@80/2007/06.13.12.45

O óxido de tântalo tem sido considerado um material importante para aplicações em microeletrônica, principalmente como memória de acesso dinâmico randômico (dynamic random access memory - DRAM), recobrimento anti-refletivo, sensores de gás e capacitores devido à sua alta constante dielétrica (k = 24), alto índice de refração e alta estabilidade química. Neste trabalho, foram preparados filmes finos e pó de Ta$ _2$ O$ _5$ nanoparticulado por rota química pouco agressiva (soft chemical route), baseada no método dos precursores poliméricos. Os filmes finos foram preparados por imersão de diferentes substratos Si(100), quartzo amorfo e Pt(111)/Ti/SiO$ _2$ /Si(100) na solução precursora e tratados termicamente a 800°C para verificar a formação da fase cristalina. A influência dos diferentes substratos na cristalização da fase e morfologia superficial foi analisada por Difratometria de Raios X e Microscopia de Força Atômica, respectivamente. Os elementos sensores de Ta$ _2$ O$ _5$ foram preparados tanto na forma de monólito (pó prensado e tratado termicamente) quanto na forma de filme fino. Para o tratamento térmico, foram utilizados forno elétrico convencional e forno microonda doméstico. Foram preparados dispositivos sensores dos tipos resistivo, utilizando-se substratos de Si(100) com eletrodo de ouro integrado, e capacitivo (monólitos com eletrodo). As medidas de impedância e capacitância em função da umidade relativa de 11 - 97% foram feitas em temperatura ambiente em três módulos de freqüências, 100 Hz, 1 kHz e 10 kHz. Os resultados revelaram que os filmes respondem instantaneamente às alterações de umidade relativa e os monólitos tratados em ambos os fornos apresentaram alta linearidade na faixa utilizada para os sensores de umidade relativa comerciais, de 20 a 80%. O tratamento térmico em forno microondas mostrou-se extremamente eficaz para preparar os elementos sensores, proporcionando uma economia de tempo de 12 vezes em relação ao forno elétrico convencional, além da menor energia consumida.