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Type: TESE DIGITAL
Title: Estudo das propriedades ópticas e de transporte eletrônico em filmes finos de TiO2 dopados com nitrogênio
Title Alternative: Study of optical and transport properties of nitrogen doped TiO2 thin films
Author: Ramos, Raul, 1988-
Advisor: Zagonel, Luiz Fernando, 1979-
Abstract: Resumo: Eletrodos condutores transparentes (TCE) possuem grande importância para tecnologias de informação e geração de energia. O TCE mais eficiente na atualidade é o ITO (In2O3 dopado com Sn), que pode alcançar resistividades em torno de 2.10-4 ?cm e uma transmitância ótica de 80% a 90% na região do visível. Entretanto, a escassez dos recursos naturais de Índio e sua grande demanda sugerem a necessidade de materiais alternativos. O presente estudo tem por objetivo investigar as propriedades óticas, eletrônicas e estruturais de filmes finos de TiO2 (fase anatase) dopados com Nitrogênio. A deposição dos filmes foi feita por Deposição por Feixe de Íons (IBD) por bombardeamento de um alvo de titânio puro com íons de Ar+ em atmosfera de O2. Os filmes, com uma espessura de ?90 nm, foram depositados em substrato de quartzo amorfo (Herasil-1) a temperaturas de 400 ou 500°C. Depois, os filmes são dopados com implantação iônica, variando o tempo de 10 a 60 minutos, com feixe de íons misto a baixa energia de N2+ e H2+ com 150 eV e sob a mesma temperatura de crescimento. Após a implantação, medidas Hall indicam que a densidade de portadores majoritários nos filmes de anatase dopados com nitrogênio chegam até ?1019 cm?3 (enquanto filmes não dopados tem densidade de cargas de ?1012 cm?3). A resistividade dos filmes dopados chegam até 10?1 ?cm enquanto mantem boa transmissão ótica (>80%). De fato, dependendo do tempo de dopagem e da temperatura do substrato durante o processo, a transmissão de até 85% podem ser obtida em 550 nm com tal resistividade (?10?1 ?cm). Espectroscopia de fotoelétrons emitidos por raio-x (XPS) realizadas in situ mostram que a composição na superfície é compatível com TiO2?xNx com concentração de nitrogênio de até ? 20%. Difração de raio-x com ângulo de incidência rasante (GIXRD) confirmaram a estrutura cristalina anatase dos filmes antes e após a implantação iônica à baixa energia (150 eV). Este estudo indica que é possível dopar a amostra anatase com nitrogênio através do uso de um feixe de íons de baixa energia. Tal abordagem é interessante por permitir um controle da concentração de dopantes (Nitrogênio através de um precursor gasoso) de forma mais controlada do que usualmente obtido por sputtering reativo

Abstract: Transparent conductive electrodes (TCE) have great importance for information and energy technologies. The most efficient TCE is currently the ITO (Sn-doped In2O3), which may have a resistivity lower than 2·10?4 ?cm and an optical transmittance of 80% to 90% in the visible region. However, the scarcity of natural resources of Indium and its great demand suggests the need of alternative materials. The present study aims to investigate the optical, electronic and structural properties of thin films of TiO2 (anatase phase) doped with nitrogen. The films deposition is made by Ion Beam Deposition (IBD) by bombarding a pure titanium target with Ar+ ions in O2 atmosphere to a thickness of about 90 nm. The films are deposited on an amorphous quartz substrate (Herasil-1) at 400 or 500 °C. Afterwards, the films are doped by ion implantation with low-energy ion beam mixed of N2+ and H2+ at 150 eV and under the same temperature of the growth for times ranging from 10 to 60 minutes. After implantation, Hall measurements indicated that the majority carrier density in the nitrogen doped anatase films reaches up to ? 1019 cm?3 (while the undoped films have a carrier density of ? 1012 cm?3). The resistivity of the doped films is as low as 10?1 ? cm while maintaining good optical transmission. Indeed, depending on the doping time and substrate temperature, transmission of up to 90% could be obtained at 550 nm with this resistivity. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) performed in situ shows that the surface composition is compatible with N:TiO2?x with nitrogen concentrations of up to ? 20%. Small angle x-ray diffraction measurements (SAXRD) confirmed the anatase crystal structure of the films before and after the low energy ion implantation. This study indicates that it is indeed possible to dope anatase thin films with nitrogen by low energy ion beam. This approach is interesting for allowing a greater control of doping concentration with respect to what is usually obtained by reactive sputtering
Subject: Semicondutores de gap largo
Óxidos condutores transparentes
Dióxido de titânio
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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