Deposição e caracterização de filmes finos do sistema Zn(1-x)CoxO obtidos por spray pirólise para aplicação em sensor de ozônio

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Autor(a) principal: Onofre Ramirez, Yina Julieth
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14617
Resumo: The current concern about reducing the harmful effects of air pollution on environment and human health requires adequate gas sensors that allow an efficient control and monitoring on a wide range of pollutants. This encourages the research on new materials and on the modulation of features in order to allow the optimization of gas sensing properties of the current devices. Herein we investigate the effect of the cobalt concentration and the annealing, under controlled atmosphere, on the structural, microstructural, surface chemistry, optical, and gas sensing properties of Zn(1-x)CoxO thin films prepared by spray pyrolysis technique. The films were deposited on Si (100) substrates using a acetate route. The X-ray diffraction (XRD) results indicated that the films have the hexagonal wurtzite ZnO phase and that a loss of crystallinity occurs with Co addition. Scanning Electron Microscopy (SEM) micrographs revealed the films surface are porous and formed by grains, whose average size decreases with Co addition. X-ray photoelectron (XPS) and photoluminescence (PL) spectroscopies results of Co-doped thin films confirmed the presence of Co in the oxidation state +2. The XPS measurements also revealed a higher concentration of oxygen vacancy (Vo) for 2.5 mol% Co film and the effect of annealing in reducing the Vo concentration in films. The pure ZnO film exhibits two broad emission bands in the ultraviolet and green energy range, associated with excitonic transitions NBE and defects related to zinc vacancy (VZn)/ interstitial oxygen (Oi), respectively. Incorporation of Co in ZnO matrix leads to an attenuation of NBE band emission and favored defect-band emissions in the red and the blue energy range, which are respectively attributed to the Co2+ ion, and to the interstitial zinc (Zni)-related defect. The annealing of pure ZnO film promoted the formation of Oi-related defect in the red energy range, and VZn-related defect in infrared energy range when carried out on oxygen and nitrogen atmosphere, respectively. For Co-doped films, the annealing increased the concentration of Zni or Oi/VZn-related defects depending on Co concentration and atmosphere. The DC electrical resistance measurements performed to evaluate the ozone gas sensing of Zn(1-x)CoxO films showed an improvement of the ozone sensor response with the reduction of film thickness and with the Co-doping, where the x= 2.5 mol% is the optimal Co concentration. Moreover, cobalt-doped zinc oxide films (ZnCoO) showed selectivity toward ozone gas in a large concentration range (21-696ppb) and then emerging as a promising material for practical application in ozone gas sensing. The conclusions derived from the average grain size, the point defects and the effect of annealing on the gas sensing suggest that the overall improvement of the ozone sensor response could be attributed to the presence of Zni and Vo-related defects, that act as active sites on the films surface favoring the adsorption of oxygen species.
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This encourages the research on new materials and on the modulation of features in order to allow the optimization of gas sensing properties of the current devices. Herein we investigate the effect of the cobalt concentration and the annealing, under controlled atmosphere, on the structural, microstructural, surface chemistry, optical, and gas sensing properties of Zn(1-x)CoxO thin films prepared by spray pyrolysis technique. The films were deposited on Si (100) substrates using a acetate route. The X-ray diffraction (XRD) results indicated that the films have the hexagonal wurtzite ZnO phase and that a loss of crystallinity occurs with Co addition. Scanning Electron Microscopy (SEM) micrographs revealed the films surface are porous and formed by grains, whose average size decreases with Co addition. X-ray photoelectron (XPS) and photoluminescence (PL) spectroscopies results of Co-doped thin films confirmed the presence of Co in the oxidation state +2. The XPS measurements also revealed a higher concentration of oxygen vacancy (Vo) for 2.5 mol% Co film and the effect of annealing in reducing the Vo concentration in films. The pure ZnO film exhibits two broad emission bands in the ultraviolet and green energy range, associated with excitonic transitions NBE and defects related to zinc vacancy (VZn)/ interstitial oxygen (Oi), respectively. Incorporation of Co in ZnO matrix leads to an attenuation of NBE band emission and favored defect-band emissions in the red and the blue energy range, which are respectively attributed to the Co2+ ion, and to the interstitial zinc (Zni)-related defect. The annealing of pure ZnO film promoted the formation of Oi-related defect in the red energy range, and VZn-related defect in infrared energy range when carried out on oxygen and nitrogen atmosphere, respectively. For Co-doped films, the annealing increased the concentration of Zni or Oi/VZn-related defects depending on Co concentration and atmosphere. The DC electrical resistance measurements performed to evaluate the ozone gas sensing of Zn(1-x)CoxO films showed an improvement of the ozone sensor response with the reduction of film thickness and with the Co-doping, where the x= 2.5 mol% is the optimal Co concentration. Moreover, cobalt-doped zinc oxide films (ZnCoO) showed selectivity toward ozone gas in a large concentration range (21-696ppb) and then emerging as a promising material for practical application in ozone gas sensing. The conclusions derived from the average grain size, the point defects and the effect of annealing on the gas sensing suggest that the overall improvement of the ozone sensor response could be attributed to the presence of Zni and Vo-related defects, that act as active sites on the films surface favoring the adsorption of oxygen species.A preocupação atual em reduzir os efeitos nocivos da poluição do ar na saúde humana e no meio ambiente torna necessário o desenvolvimento de sensores de gases que permitam um controle e monitoramento eficiente de uma ampla variedade de poluentes. Isto tem incentivado o estudo de novos materiais ou a modulação de características específicas que permitam a otimização das propriedades de detecção de gás dos dispositivos atuais. Neste trabalho investigamos o efeito da concentração do cobalto e do tratamento térmico, sob atmosfera controlada, nas propriedades estruturais, microestruturais, química da superfície, ópticas e de detecção de gás ozônio dos filmes finos de Zn(1-x)CoxO obtidos pela técnica de spray pirólise. Os filmes foram depositados sobre substratos de Si (100) utilizando uma rota de acetatos. Os resultados de difração de raios X (DRX) indicaram que os filmes apresentam a fase hexagonal wurtzita do ZnO e um aumento no grau de desordem da rede com a adição de Co. As imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) revelaram que as superfícies dos filmes são porosas e formadas por grãos, e apresentam uma diminuição de seu tamanho médio de grão pela adição de Co. As análises de espectroscopia de Fotoelétrons de Raios X (XPS) e Fotoluminescência (PL) confirmaram a presença de Co nos filmes dopados no estado de oxidação +2. As análises de XPS também evidenciaram que o filme com concentração x= 2,5 % mol de Co possui a maior concentração de vacâncias de oxigênio (Vo) e que o tratamento térmico em atmosfera controlada ajuda a reduzi-la. O filme de ZnO puro exibiu duas bandas largas de emissão óptica nas regiões de energia ultravioleta e verde, associadas às transições excitônicas (NBE) e aos defeitos relacionados a vacâncias de Zn (VZn)/oxigênio intersticial (Oi), respectivamente. A incorporação de Co na matriz ZnO causou uma atenuação das emissões da banda de NBE, e favoreceu as emissões na banda de defeitos nas regiões de energia vermelha e azul, que são atribuídas, respectivamente, às transições ópticas do íon Co2+ e dos defeitos relacionados a zinco intersticial (Zni). O tratamento térmico em atmosfera controlada promoveu a formação de defeitos no filme puro, relacionados a Oi na região de energia vermelha para uma atmosfera de oxigênio, e VZn na região de energia infravermelha para uma atmosfera de nitrogênio. Nos filmes dopados, o tratamento térmico aumentou a concentração de defeitos relacionados a Zni ou VZn/Oi dependendo da concentração de Co e da atmosfera utilizada. As medidas de resistência elétrica DC para avaliar o desempenho dos filmes de Zn(1-x)CoxO na detecção de gás ozônio evidenciaram uma melhora da resposta sensora ao gás ozônio com a adição de Co e a diminuição da espessura dos filmes, sendo x= 2,5 % mol de Co a concentração ótima. O óxido de zinco com cobalto (ZnCoO) também apresentou seletividade ao gás ozônio e uma resposta sensora para um amplo intervalo de concentrações de gás ozônio (21-696 ppb), se mostrando como um material promissor para aplicação prática como sensor resistivo de gás ozônio. Uma correlação dos resultados do tamanho médio de grão e da concentração de defeitos cristalinos com as propriedades de detecção de gás, permitiu atribuir o aprimoramento da resposta sensora ao gás ozônio ao aumento da concentração de defeitos de Zni e Vo que podem atuar como sítios ativos na superfície dos filmes favorecendo a adsorção das espécies de oxigênio.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)CAPES: Código de Financiamento 001porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Física - PPGFUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessÓxido metálico semicondutorÓxido de zincoSensor de gás ozônioSpray piróliseFotoluminescênciaSemiconducting metal oxidesZinc oxideOzone gas sensorSpray pyrolysisPhotoluminescenceCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICADeposição e caracterização de filmes finos do sistema Zn(1-x)CoxO obtidos por spray pirólise para aplicação em sensor de ozônioDeposition and characterization of Zn(1-x)CoxO thin films obtained by spray pyrolysis for application as ozone gas sensorinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis600de7ee5a7-6d94-42d5-96b1-bb4d5a1496adreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese_Onofre.pdfTese_Onofre.pdfTese de doutoradoapplication/pdf28520869https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14617/2/Tese_Onofre.pdfca049cb7348fd4d85f89ea38cb4c1182MD52Carta comprovante_Yonofre.pdfCarta comprovante_Yonofre.pdfCarta comprovanteapplication/pdf257855https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14617/1/Carta%20comprovante_Yonofre.pdfe6540c878474d229da9675720beafad8MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14617/3/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53TEXTTese_Onofre.pdf.txtTese_Onofre.pdf.txtExtracted texttext/plain296442https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14617/4/Tese_Onofre.pdf.txtc5917b41bf046d8a9da49751f3a97e42MD54Carta comprovante_Yonofre.pdf.txtCarta comprovante_Yonofre.pdf.txtExtracted texttext/plain1272https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14617/6/Carta%20comprovante_Yonofre.pdf.txt89c5e38710b03cf3a248c8850df1b896MD56THUMBNAILTese_Onofre.pdf.jpgTese_Onofre.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg7014https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14617/5/Tese_Onofre.pdf.jpg1e196d88f905f7f58a3b45f15c67412dMD55Carta comprovante_Yonofre.pdf.jpgCarta comprovante_Yonofre.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg12600https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14617/7/Carta%20comprovante_Yonofre.pdf.jpgd586fb1af94e58571c5c870dff7053f0MD57ufscar/146172023-09-18 18:32:13.433oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/14617Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:13Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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