Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3900
Tipo: Dissertação
Título: Deposição e caracterização de filmes finos de TiO2 dopados com Ag via o método sol-gel
Autor(es): SILVA, Marcos Paulo Cyrillo da
Primeiro Orientador: HUNCA, Danilo Roque
metadata.dc.contributor.advisor-co1: OLIVEIRA, Adhimar Flávio
Resumo: 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 𝜇m e partículas com diâmetro de até 10 𝜇m, 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.
Abstract: Titanium dioxide (TiO2) is a highly investigated semiconductor material renowned for its exceptional optical and catalytic properties, making it an ideal candidate for various applications, including sensors, antibacterial coatings, and photovoltaic cells. In this study, it was investigated the effect of silver (Ag) doping on the optical and electrical characteristics of thin film layers composed of TiO2 deposited on glass, indium tin oxide (ITO), as well as p-type and n-type crystalline silicon substrates. This doping process led to the formation of heterostructures exhibiting electrical behavior like the junction diodes, with the specific characteristics strongly dependent on the concentration of Ag used as a dopant. The deposition of these films was accomplished through the reverse micelle sol-gel method. For this purpose, a solution was prepared by combining titanium tetrabutoxide, xylene, and Triton X-100. To introduce Ag as a dopant, silver nitrate (AgNO3) was incorporated into the solution at concentrations of 0.1%, 0.5%, and 1%. The optical analysis of the TiO2 sol-gel solution through absorbance measurements in the ultraviolet (UV) region, it was observed that the inclusion of Ag resulted in a decrease in the material’s band gap. The band gap values ranged from (3.4 ± 0.2) to (1.88 ± 0.02) eV, indicating a significant reduction caused by the presence of Ag. Additionally, the inclusion of Ag facilitated the formation of silver nanoparticles within the films. These nanoparticles exhibited an effective diameter ranging from 30 to 34 nm, and their concentration varied from 0.44x1012 to 1.33x1012 particles/ml insofar the concentration of AgNO3 increased from 0% to 1.0%, respectively. Prior to the deposition of the films, thorough substrate preparation was conducted. The substrates underwent a cleaning process involving an aqueous solution of sulfuric acid, followed by a brief immersion in hydrofluoric acid. In the case of silicon substrates, an ammonium-based aqueous solution was employed to eliminate organic contaminants. Subsequently, the silicon substrates were subjected to thermal oxidation at 900 ∘C. The deposited films underwent a similar treatment, with sintering temperatures set at 450 ∘C and 550 ∘C. The optical characterization of these films, conducted through UV absorbance measurements, revealed variations in the optical band gap depending on the type of transition. For an indirect transition, the band gap ranged from 2.8 to 3.6 eV, while for a direct transition, it fell between 3.5 and 3.9 eV. Notably, the size of the nanoparticles displayed a similar trend to that observed in the sol-gel solution. Furthermore, the size variation of nanoparticles influenced the band gap in a manner consistent with the aforementioned observations. Chemical analysis utilizing techniques such as infrared spectrometry (FTIR), X-ray diffraction (XRD), and X-ray energy dispersion spectroscopy (EDS) was performed to examine the films following sintering. The results indicated that the films primarily consisted of the anatase phase. Morphological characterization further revealed the formation of films with an average thickness of 1 𝜇m, along with particles measuring up to 10 𝜇m in size, in addition to the nanometric-sized particles of the sol-gel solution of TiO2. On the other side, the electrical characterization results revealed interesting findings regarding the impact of silver doping on the properties of the TiO2 matrix. When silver is introduced as a dopant, it supplies electrons to the TiO2 matrix. In the case of n-type silicon substrate, it enhances conductivity and reduces electrical resistance. Conversely, an opposite behavior is observed for the ITO substrate. However, a distinct behavior is observed in the heterostructures formed by TiO2/p-type silicon. In this case, the introduction of silver causes the recombination of electrons provided by silver with holes in the p-type silicon, resulting in an opposite effect. As a result, the electrical resistance increases in the TiO2/p-type silicon heterostructures. The doping-induced changes are further elucidated by Mott-Schottky analysis. Consistent with our previous observations, the concentration of electrons in the TiO2/n-type silicon junction increases due to doping, while it decreases when the substrate is p-type silicon. This behavior is captured by the Mott-Schottky analysis, which provides valuable insights into the changes in electron concentration at the junction interfaces. Lastly, regardless of the substrate used for TiO2 deposition, the presence of silver as a dopant leads to an increase in the height of the Schottky barrier associated with the junctions of the device, indicating a significant influence on the overall electronic properties.
Palavras-chave: Dióxido de titânio
Sol-gel
Prata
Caracterização
Silício
ITO
Vidro
CNPq: CNPQ::CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA::FÍSICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IFQ - Instituto de Física e Química
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Física
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3900
Data do documento: 3-Jul-2023
Aparece nas coleções:Dissertações

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
Dissertação_2023117.pdf12,44 MBAdobe PDFVisualizar/Abrir


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.