Deposição e caracterização de filmes finos de TiO2 dopados com Ag via o método sol-gel - SILVA, Marcos Paulo Cyrillo da (2023)
O dióxido de titânio (TiO2) é um material semicondutor amplamente estudado devido às suas excelentes propriedades ópticas e catalíticas que o tornam um excelente material para aplicações, tais como sensores, revestimentos antibactericidas e células fotovoltaicas. No presente trabalho, estudou-se o efeito da prata como elemento dopante do TiO2, considerando as propriedades ópticas e elétricas de camadas de filmes finos depositados em substratos de vidro, ITO e silício cristalino tipo p e tipo n. A junção desses filmes com os diferentes substratos deu lugar à formação de heteroestruturas com comportamento elétrico semelhante aos diodos de junção, porém fortemente dependente das concentração de Ag usada como dopante. A deposição dos filmes ocorreu por meio do método sol-gel de micelas reversas, em que a solução foi preparada por meio da mistura de tetrabutóxido de titânio, xileno e Triton X-100 na qual foi incluído o nitrato de prata (AgNO3) em concentrações de 0,1%, 0,5% e 1%. A análise óptica da solução sol-gel de TiO2 via absorbância na região ultravioleta (UV) indica que a inclusão de Ag promove a diminuição do seu band gap, variando de (3,4 ± 0,2) eV a (1,88 ± 0,02) eV, bem como a formação de nanopartículas de prata com diâmetro efetivo entre 30 a 34 nm e concentração variando de 0,44x1012 até 1,33x1012 partículas/ml quando AgNO3 em concentrações de 0% a 1,0%, respectivamente, é incluído na solução. Anterior à deposição dos filmes, os substratos foram preparados por meio da limpeza com solução aquosa de ácido sulfúrico, seguido de uma rápida imersão em ácido fluorídrico. Para o caso do silício, uma solução aquosa baseada em amônio foi empregada para a remoção de contaminantes orgânicos. Após limpeza, os substratos de silício foram oxidadas termicamente a 900 ∘C. Os filmes depositados também passaram por um tratamento térmico, mas desta vez a temperatura de sinterização foi de 450 ∘C e 550 ∘C. A caracterização óptica desses filmes via absorbância UV indica indica que os band gaps ópticos variam de 2,8 a 3,6 eV, para uma transição indireta, ao passo que para uma transição direta a variação é de 3,5 a 3,9 eV. O tamanho das nanopartículas apresenta a mesma tendência observada na solução sol-gel e sua variação também afeta o band gap. De acordo com a análise química via espectrometria no infravermelho (FTIR), difração de raios-X (DRX) e espectroscopia de dispersão de energia de raios-X (EDS), após a sinterização, os filmes são basicamente composto pela fase anatase. Já a caracterização morfológica indica a formação de filmes com espessura média de 1 m e partículas com diâmetro de até 10 m, em adição àquelas de diâmetro nanométrico da solução sol-gel de TiO2. No que diz respeito aos resultados da caracterização elétrica, concluiu-se que a prata como elemento dopante fornece elétrons à matriz de TiO2, no caso do substrato de silício tipo n ela promove o aumento da condutividade e diminuição da resistência elétrica, por outro lado, o comportamento oposto é observado para o substrato de ITO. Esse comportamento oposto também é observado nas heteroestruturas formadas por TiO2/silício tipo p por conta da recombinação entre elétrons fornecidos pela prata e as lacunas provenientes do substrato de silício tipo p. Como consequência da dopagem, como já mencionado, a concentração de elétrons na junção de TiO2/silício tipo n aumenta, ao passo que esta reduz quando o substrato de silício é do tipo p, como mostrado pela análise Mott-Schottky. Finalmente, a respeito do substrato utilizado para a deposição do TiO2, o efeito da prata é aumentar a altura da barreira Schottky associadas às junções do dispositivo.