Caracterização de filmes finos de ZnO:Ho crescidos por spray-pirólise

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Neves, Alyne Marques Aragão das
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19613
Resumo: The research investigation on the doping effects of zinc oxide thin films (ZnO) with the rare earth ion Holmium (Ho3+) and the determination of an optimal doping condition for the luminescence of the doping element. The films were deposited by the spray-pyrolysis technique considering nominal rare earth concentrations within the range of 1 to 5%. The structural properties were evaluated by X-ray Diffraction technique (XRD), and morphological and compositional characteristics by Scanning Electron Microscopy (SEM) associated with Energy Spectroscopy Dispersive (EDS). To investigate the optical properties, we employed UV-Vis Absorption Spectroscopy and Photoluminescence Spectroscopy (PL). For PL measurements, the excitation wavelengths were 450 nm and 325 nm, and temperatures around 77 K. The XRD results revealed polycrystalline films in wurtzite hexagonal structure without a preferential orientation with crystallite sizes in the (002) and (101) orientations ​​of 6.9 and 18 nm, respectively, which increases with increasing dopant concentration. SEM micrographs show grains with average size from 1.0 to 2.75 μm. The EDS spectra, in turn, provided the actual concentrations of the rare earth. The UV-Vis absorption showed rare earth absorption in the blue, green, and red regions for samples with 3 to 5% Ho-content. The optical bandgap of ZnO host assumed values ​​between 3.10 and 3.19 eV. The PL spectra showed UV emissions from the host and the dopant emissions in the visible range. Furthermore, the decrease of rare earth luminescence intensity with increasing temperature was attributed to electron-phonon interactions. It was also observed the degeneration in Ho3+ levels, caused by the interaction with the crystalline field of ZnO.
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The structural properties were evaluated by X-ray Diffraction technique (XRD), and morphological and compositional characteristics by Scanning Electron Microscopy (SEM) associated with Energy Spectroscopy Dispersive (EDS). To investigate the optical properties, we employed UV-Vis Absorption Spectroscopy and Photoluminescence Spectroscopy (PL). For PL measurements, the excitation wavelengths were 450 nm and 325 nm, and temperatures around 77 K. The XRD results revealed polycrystalline films in wurtzite hexagonal structure without a preferential orientation with crystallite sizes in the (002) and (101) orientations ​​of 6.9 and 18 nm, respectively, which increases with increasing dopant concentration. SEM micrographs show grains with average size from 1.0 to 2.75 μm. The EDS spectra, in turn, provided the actual concentrations of the rare earth. The UV-Vis absorption showed rare earth absorption in the blue, green, and red regions for samples with 3 to 5% Ho-content. The optical bandgap of ZnO host assumed values ​​between 3.10 and 3.19 eV. The PL spectra showed UV emissions from the host and the dopant emissions in the visible range. Furthermore, the decrease of rare earth luminescence intensity with increasing temperature was attributed to electron-phonon interactions. It was also observed the degeneration in Ho3+ levels, caused by the interaction with the crystalline field of ZnO.A pesquisa relatada neste trabalho se propôs à investigação dos efeitos de dopagem de filmes finos de óxido de zinco (ZnO) com o íon terra-rara hólmio (Ho3+) e à determinação de uma condição ótima de dopagem para a luminescência do elemento dopante. Para a deposição dos filmes, foi empregada a técnica de spray-pirólise, considerando diferentes concentrações nominais do terra-rara dentro do intervalo de 1 a 5%. As propriedades estruturais dos filmes foram estudadas por meio da técnica de Difração de Raios-X (DRX), ao passo que as características morfológicas e de composição foram examinadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) associada à Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS). Para a investigação das propriedades ópticas, foram empregadas a Espectroscopia de Absorção UV-Vis e a Espectroscopia de Fotoluminescência (PL), nesta última considerando excitações nos comprimentos de onda 450 nm e 325 nm e temperaturas em torno de 77 K. Os resultados de DRX revelaram que os filmes são policristalinos na estrutura hexagonal wurtzita do ZnO, sem uma orientação preferencial de crescimento e que os tamanhos dos cristalitos nas orientações (002) e (101) apresentaram valores de 6,9 a 18 nm, aumentando com o aumento da concentração do dopante. Das micrografias de MEV, obteve-se aspectos da superfície das amostras e que o tamanho médio dos grãos variou de 1,0 a 2,75 μm. Os espectros de EDS, por sua vez, proporcionaram as concentrações reais do terra-rara. Os resultados de Absorção UV-Vis mostraram picos de absorção do terra-rara nas amostras de 3 a 5%, que se encontravam nas regiões do azul, verde e vermelho do espectro. Foram calculadas também as bandas de absorção Eg da matriz de ZnO, que assumiu valores entre 3,10 e 3,19 eV. Os espectros de PL evidenciaram emissões da matriz, na região do UV, e do dopante, em regiões do visível. Além disso, foi observado o efeito de diminuição da intensidade da luminescência do terra-rara com o aumento da temperatura, atribuído ao aumento de interações elétron-fônon. Foi observado também o levantamento de degenerescência nos níveis do Ho3+, causado pela interação com o campo cristalino do ZnO.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosFísica - FBUFSCarAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessÓxido de zincoTerras-rarasHólmioFotoluminescênciaFilmes finosSpray-piróliseCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::PROP.OTICAS E ESPECTROSC.DA MAT.CONDENS;OUTRAS INTER.DA MAT.COM RAD.E PART.CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::SUPERFICIES E INTERFACES; PELICULAS E FILAMENTOSCaracterização de filmes finos de ZnO:Ho crescidos por spray-piróliseCharacterization of ZnO:Ho thin films grown by spray-pyrolysisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALAlyne_TCC_29jan2024_Final.pdfAlyne_TCC_29jan2024_Final.pdfapplication/pdf47490859https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19613/1/Alyne_TCC_29jan2024_Final.pdfc8ca7d2544723a10b27b295d1e4131a7MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8804https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19613/2/license_rdf4774e414fb27824b0dfca5f33e4ff24fMD52TEXTAlyne_TCC_29jan2024_Final.pdf.txtAlyne_TCC_29jan2024_Final.pdf.txtExtracted texttext/plain85612https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19613/3/Alyne_TCC_29jan2024_Final.pdf.txt1af603e9b1f5c459b3770eb7fad6fee0MD53ufscar/196132024-05-14 17:10:36.776oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/19613Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T17:10:36Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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description The research investigation on the doping effects of zinc oxide thin films (ZnO) with the rare earth ion Holmium (Ho3+) and the determination of an optimal doping condition for the luminescence of the doping element. The films were deposited by the spray-pyrolysis technique considering nominal rare earth concentrations within the range of 1 to 5%. The structural properties were evaluated by X-ray Diffraction technique (XRD), and morphological and compositional characteristics by Scanning Electron Microscopy (SEM) associated with Energy Spectroscopy Dispersive (EDS). To investigate the optical properties, we employed UV-Vis Absorption Spectroscopy and Photoluminescence Spectroscopy (PL). For PL measurements, the excitation wavelengths were 450 nm and 325 nm, and temperatures around 77 K. The XRD results revealed polycrystalline films in wurtzite hexagonal structure without a preferential orientation with crystallite sizes in the (002) and (101) orientations ​​of 6.9 and 18 nm, respectively, which increases with increasing dopant concentration. SEM micrographs show grains with average size from 1.0 to 2.75 μm. The EDS spectra, in turn, provided the actual concentrations of the rare earth. The UV-Vis absorption showed rare earth absorption in the blue, green, and red regions for samples with 3 to 5% Ho-content. The optical bandgap of ZnO host assumed values ​​between 3.10 and 3.19 eV. The PL spectra showed UV emissions from the host and the dopant emissions in the visible range. Furthermore, the decrease of rare earth luminescence intensity with increasing temperature was attributed to electron-phonon interactions. It was also observed the degeneration in Ho3+ levels, caused by the interaction with the crystalline field of ZnO.
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