Estrutura eletrônica e propriedades elétricas fotoinduzidas em filmes finos de SnO2 com dopagem de Sb, e formação de heteroestruturas com TiO2

Abstract

Este trabalho apresenta uma abordagem teórico-experimental na investigação de filmes finos de dióxido de estanho (SnO2) não dopado, de SnO2 dopado com antimônio (Sb), de dióxido de titânio (TiO2) e também de heteroestrutura Tio2/SnO2, produzidos pelo processo sol-gel-dip-coating. O conhecimento dos mecanismos de transporte elétrico de SnO2:Sb é fundamental para o desenvolvimento de dispositivos opto-eletrônicos. Neste sentido, a contribuição deste trabalho está principalmente no estudo das propriedades elétricas de SnO2:Sb, no qual foi analisado a captura de elétrons fotoexcitados por centros de Sb e/ou vacâncias de oxigênios termicamente ativados. Os resultados, surpreendentemente, mostraram que a taxa de variação da condutividade diminui com o aumento temperatura, independente da energia da fonte de excitação (acima ou abaixo da energia do bandgap). Este comportamento está provavelmente relacionado à mobilidade eletrônica, que é dominado pelo espalhamento de portadores de carga na região do contorno de grão. Quanto à heterojunção TiO2/SnO2, o conhecimento do tipo de estrutura cristalina dos semicondutores óxidos é fundamental para sua utilização em determinadas aplicações tecnológicas. A avaliação das propriedades estruturais de filmes finos de TiO2 apresentada nesta tese mostrou que o substrato de quartzo, utilizado para deposição dos filmes, exerce influência na temperatura de transição de fase anatásio-rutilo. De modo geral, apresentamos aqui uma avaliação das propriedades ópticas, estruturais, elétricas e eletrônicas de filmes finos de SnO2 e de SnO2:SB e também das propriedades ópticas, estruturais e eletrônicas de TiO2 e heterojunção TiO2/SnO2. As propriedades eletrônicas foram obtidas a partir de simulações computacionais de SnO2 SnO2:Sb e TiO2 desenvolvidas com o programa CRYSTAL06, baseadas na Teoria do Funcional da Densidade

This work presents a theoretical-experimental approach in the investigation of undoped and Sb-doped SnO2 thin flims, TiO2 thin films and also the heterostructure TiO2/SnO2 deposited through the sol-gel-dip-coating technique. The knowledge of the electrical transport mechanisms in SnO2:Sb is fundamental towards the devolping of optoelectronic devices. Then, our contribution concerns the analysis of the electronic structure and, mainly, the investigation of the electrical properties of SnO2:Sb, where the electron capture by thermally activated Sb centers and/or oxygen vacancies was proposed. Results, surpisingly, show that the conductivity variation rate increases with temperature, independent on excitation source energy (above or below the gandgap energy). This behavior is probaly related to the electronic mobility, which is dominated by the charge carrier scattering at boundary layer. Concerning the heterojunction TiO2/SnO2, the determination of the crystalline structure type of oxide semiconductors if fundamental for application in specific technologies. The evalution of structural properties of TiO2 films show that the quartz substrate, used for film deposition, influences the transition temperature of the anatase-rutile phases. In summary, we present an evalution of optical, structural, electrical and electronic properties of SnO2 and SnO2:Sb as well as optical, structured, and electronic properties of TiO2/SnO2. Electronic properties were obtained from computacional simulations of SnO2, SnO2:Sb, TiO2 and TiO2/SnO2, developed with the program CRYSTAL06, through the Density Functional Theory