Efeitos de tratamento térmico em ambiente de vácuo sobre as propriedades estruturais, ópticas e elétricas de filmes de ZnO depositados por pulverização catódica DC

Abstract

En este trabajo se depositaron películas de óxido de zinc (ZnO) por la técnica de pulverización catódica DC y posteriormente se trataron térmicamente en vacío, variando la temperatura desde 373 a 773 K. Las propiedades estructurales, ópticas y eléctricas de las películas fueron estudiadas por difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido, microscopía de fuerza atómica, espectroscopía Raman, fotoluminiscencia y medidas eléctricas. Los resultados indicaron que la película como crecida mostró un mayor volumen de celda unitaria que el sistema Bulk y mayor tensión residual debido a defectos intrínsecos producidos durante la deposición. Tanto el volumen de la celda unitaria como la tensión residual tendieron a disminuir con el aumento de la temperatura del tratamiento térmico. Este efecto de relajación se asoció con la eliminación de defectos estructurales, lo que condujo a una mejora de las propiedades ópticas y eléctricas. Sin embargo, para tratamientos térmicos a temperaturas superiores a 573 K, se determinó una ligera disminución en el tamaño de los cristalitos, lo que sugiere la reaparición de distorsiones en la red cristalina. Las pruebas de respuesta sensorial de las películas a gas metano indicaron que la sensibilidad disminuye en películas que contienen tamaños de grano más grandes.

Neste trabalho, foram depositados filmes de óxido de Zinco (ZnO) pela técnica de DC sputtering e posteriormente tratados termicamente em vácuo variando a temperatura desde 373 até 773 K. As propriedades estruturais, morfológicas, vibracionais, ópticas e elétricas dos filmes foram estudadas por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atômica, espectroscopia Raman, fotoluminescência e medidas elétricas. Os resultados indicaram que todos os filmes tem uma espessura de ~2 μm, crescendo preferencialmente orientados ao longo do eixo c, característica que permaneceu após o tratamento térmico. O filme como crescido mostrou um volume da célula unitária maior que o sistema bulk e tensões residuais. Estes resultados foram associados com a presença de uma alta concentração de defeitos estruturais e distorções. Tanto o volume da célula unitária como o estresse residual tenderam a diminuir com o aumento da temperatura de tratamento térmico. Este efeito de relaxação foi associado com a remoção de defeitos estruturais, levando a uma melhora na cristalinidade e ao incremento do tamanho do cristalito. No entanto, para tratamentos térmicos em temperaturas acima de 573 K, determinou-se uma ligeira diminuição do tamanho do cristalito, o que sugere o reaparecimento de distorções na rede cristalina. Os resultados obtidos por espectroscopia Raman mostraram que os modos vibracionais canônicos E2 High, E2 Low, A1(LO) e E1(LO) tendem a se deslocar para posições esperadas para o ZnO bulk com o aumento da temperatura de tratamento térmico. Outros picos não canônicos nas posições 274, ~ 510, ~ 643 cm-1 foram observados para todas as amostras, que foram relacionados com a presença de defeitos estruturais. Medidas de UV-Vis mostraram que o gap de energia tende a aumentar com o aumento da temperatura de tratamento até 573 K. Esta tendência foi associada com o efeito de relaxação provocada pela remoção de defeitos estruturais e distorções na rede provocada por dito tratamento. Já o fechamento do gap determinado nos filmes tratados em temperaturas maiores que 573 K foi associado com a geração de vacâncias de oxigênio devido ao processo de desoxidação parcial de ZnO em altas temperaturas. Estes resultados são consistentes com o aumento da intensidade das emissões no verde determinado nos espectros de fotoluminescência para as amostras tratadas em temperaturas acima de 573K. Por outro lado, a energia de ativação determinada de medidas de resistividade elétrica em função da temperatura dos filmes mostra uma diminuição progressiva com a temperatura de tratamento térmico. Isto foi associado com o aumento progressivo na concentração de defeitos doadores provocado pelo aumento da temperatura de tratamento térmico até 573K. Já os tratamentos térmicos em temperaturas maiores provocam um ligeiro aumento da energia de ativação, o que sugere o surgimento de níveis doadores mais profundos no gap de energia. Estes resultados são consistentes com a tendência a diminuir mostrada pela resistividade até atingir um valor mínimo em 573 K, o que foi associado com à remoção de defeitos geradores de carga tipo p. O evidente incremento da resistividade nas amostras tratadas em temperaturas maiores que 573K foi associado com um aumento na concentração de vacâncias de oxigênio que ocupam níveis mais profundos dentro do gap como VO 0 , que dificultam a condutividade. Os testes de resposta sensorial dos filmes a gás metano indicaram que a sensibilidade diminui nos filmes que contem grãos de tamanho maiores.