Efeitos do tratamento térmico sobre as propriedades estruturais, morfológicas, vibracionais, ópticas e elétricas de filmes de CuO

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Aparicio Huacarpuma, Bill Darwin
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/49502
Resumo: Dissertação (mestrado em Física) — Universidade de Brasília, Brasília, 2024.
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spelling Efeitos do tratamento térmico sobre as propriedades estruturais, morfológicas, vibracionais, ópticas e elétricas de filmes de CuOÓxido de cobreFilmes em CuOTermoterapiaDissertação (mestrado em Física) — Universidade de Brasília, Brasília, 2024.Neste trabalho apresenta-se o estudo de filmes de CuO produzidos pela técnica magnetrón sputtering DC e após tratamento térmico. As propriedades estruturais, morfológicas, topografia, vibracionais, ópticas e elétricas dos filmes foram estudadas e caracterizadas pelas técnicas de difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia de força atômica (AFM), espectroscopia Raman, espectroscopia UV-Visível (UV-Vis), medidas elétricas e efeito Hall. Primeiramente, filmes de cobre foram depositados durante 1 min sobre substrato de vidro “borosilicato” usando um alvo de cobre. Filmes com diferentes espessuras foram obtidos alterando a potência da fonte sputtering (100, 150, 200, 250, 300, 350 e 400 W). Posteriormente, esses filmes foram tratados termicamente a 500°C durante 2 horas em atmosfera de ar para obtenção dos filmes de CuO.A analise dos dados de DRX confirmou a formação da fase monoclínica sem evidência de fases extras. Os resultados indicam que o tamanho do cristalito aumenta de 39 nm para 54 nm à medida que aumenta a espessura do filme. Além disso, o estresse residual é maior à medida que se diminui a espessura, o que tem sido atribuído à desordem estrutural devido à forte interação filme-substrato. O volume da célula unitária varia na faixa de 81,36 a 81,24 Å3, com uma suave tendência a diminuir com a espessura do filme, sendo maiores que o esperado para o CuO bulk (81,08 Å3). Imagens MEV obtidas em seção transversal indicam a espessura do filme varia de 256 a 1450 nm, com uma taxa de crescimento de (3,6 ± 0,2) nm/W. Medidas de espectroscopia Raman evidenciaram a presença apenas de modos canônicos associados à fase cristalina CuO. As posições dos modos Raman tendem a se deslocar para posições esperadas para o CuO bulk com o aumento da espessura do filme. Além disso, as medições de espectroscopia UV-Vis revelaram que o gap de energia óptico (Egopt) diminui de ~1,74eV para ~1,39 eV com aumento da espessura. A tendência de redução de tanto o gap de energia como da energia de Urbach (Eu) foi atribuída à diminuição das tensões de expansão com a espessura do filme. Medidas de Efeito Hall indicam que os filmes de CuO são de tipo-p, com uma baixa concentração de portadores de carga que variam entre 1014-1016 cm-3e com resistividade que varia de 22-35 Ωcm. Testes de sensibilidade de gás metano (CH4) em diferentes temperaturas de trabalho (323K-473 K) para o filme mais fino (256nm) indicam uma melhora na sensibilidade com o aumento da temperatura de trabalho (até 473 K). Além disso, medições de sensibilidade para todos filmes de CuO em 473K indicaram que a maior resposta é obtida para o filme mais fino (de 256 nm), o que foi associado ao menor tamanho de grão determinado para este filme. Esses resultados sugerem que filmes de CuO são promissores para aplicações de detecção de gás.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)In this work we present the study of CuO films produced by the DC magnetron sputtering technique and after thermal annealing. The structural, morphological, topography, vibrational, optical and electrical properties of the films were studied and characterized by the techniques of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy, spectroscopy UV-Visible (UV-Vis), electrical measurements and Hall effect. Firstly, copper films were deposited on a “borosilicate” glass substrate during 1 min using copper as a target. Films with different thicknesses were obtained by changing the sputtering source power (100, 150, 200, 250, 300, 350 and 400 W). Subsequently, these films were annealed at 500°C for 2 hours in air atmosphere to obtain CuO films.The formation of the monoclinic phase was confirmed via XRD data analysis, without evidence of extra phases. Results indicates that the crystallite size increases from 39 nm to 54 nm as the film thickness increases. Furthermore, the residual strain is increased as the thickness decreases, which has been attributed to the structural disorder due to the strong film-substrate interaction. The unit cell volume varies in the range from 81.36 to 81.24 Å3, with a slight tendency to decrease with the film thickness, being larger than the expected for bulk CuO (81.08 Å3). Cross-sectional SEM images indicate that the film thickness ranges from 256 to 1450 nm, with a growth rate of (3.6 ± 0.2) nm/W. Raman spectroscopy measurements showed the presence of only canonical modes associated with the CuO crystalline phase. The positions of the Raman modes tend to shift to values expected for bulk CuO with the thickness increase. Furthermore, UV-Vis spectroscopy measurements revealed that the optical energy gap (Egopt) decreases from ~1.74eV to ~1.39 eV with the film thickness. The decreasing trends in both the band gap energy and Urbach energy (Eu) were attributed to the decrease of the tensile strain with the film thickness. Hall Effect measurements indicate that the CuO films are p-type, with a low concentration of charge carriers which varies in the range of 1014- 1016 cm-3and with resistivity that varies from 22-35 Ωcm. Methane gas (CH4) sensitivity tests carried out at different working temperatures (323K-473 K) for the thinner film (256nm) indicate an improvement in the sensitivity with the working temperature (until 473 K). Furthermore, sensitivity measurements for all CuO films at 473K indicate that the higher response is obtained for the thinner film (256 nm), which was associated with the smaller grain sizedetermined for this film. These results suggest that CuO films are promising for gas sensing applications.Instituto de Física (IF)Programa de Pós-Graduação em FísicaHuamaní Coaquira, José AntonioAparicio Huacarpuma, Bill Darwin2024-08-05T01:26:52Z2024-08-05T01:26:52Z2024-08-042024-03-14info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfAPARICIO HUACARPUMA, Bill Darwin. Efeitos do tratamento térmico sobre as propriedades estruturais, morfológicas, vibracionais, ópticas e elétricas de filmes de CuO. 2024. 99 f. il. Dissertação (Mestrado em Física) — Universidade de Brasília, Brasília, 2024.http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/49502porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2024-08-05T01:26:52Zoai:repositorio.unb.br:10482/49502Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2024-08-05T01:26:52Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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