Célia Machado Ronconi, Doutorado (2002)
email: ronconi@iqm.unicamp.br

Obtenção de filmes finos de óxidos semicondutores ternários de banda larga pelo processo de decomposição de precursores metalorgânicos

Resumo

Neste trabalho, o processo de Decomposição de Precursores Metalorgânicos (MOD) foi utilizado na preparação de sólidos policristalinos e filmes finos de óxidos ternários do tipo Cd₂SnO₄ e Cd₂M₂O₇ (M = Sb⁼⁺⁵ e Nb⁺⁵). Esses óxidos são chamados de semicondutores de banda larga e apresentam, simultaneamente, duas propriedades de interesse científico e tecnológico: transparência óptica na região visível e elevada condutividade elétrica à temperatura ambiente. Tais propriedades viabilizam a utilização dos mesmos como eletrodos transparentes em diversos dispositivos e como sensores a gases. O composto de nióbio, Cd₂Nb₂O₇, apresenta, ainda, propriedades ferroelétricas e elevada constante dielétrica, o que o torna um material promissor para aplicação em capacitores, transistores e memórias dinâmicas de acesso aleatório (DRAM). O processo MOD foi empregado, pela primeira vez, na obtenção desses materiais e mostrou-se eficiente no que se refere às baixas temperaturas de formação, à homogeneidade e pureza de fases. A compatibilidade química entre os precursores foi o requisito primordial para a obtenção das fases desejadas.

Inicialmente, os precursores metalorgânicos 2-etilhexanoato de cádmio (II), 2-etilhexanoato de antimônio (III) e o tri-(etóxido)-di-(2-etilhexanoato) de nióbio (V) foram sintetizados pela primeira vez, neste trabalho. Tais precursores foram caracterizados por técnicas como espectroscopia infravermelho, análise química, termogravimetria e termogravimetria acoplada à espectrometria de massas.

Para a obtenção dos sólidos policristalinos e dos filmes foram formuladas as misturas dos precursores em xileno, na razão estequiométrica desejada. O solvente foi evaporado e os resíduos aquecidos em diferentes temperaturas. O produto final, sólido policristalino, foi caracterizado pelas técnicas de difratometria de raios-X, espectroscopia Raman e microscopia eletrônica de varredura. Os filmes foram depositados pela técnica de dip coating sobre substrato de vidro borosilicato de sódio e quartzo fundido.

As potencialidades dos filmes como óxidos condutores e transparentes foram avaliadas por meio de medidas ópticas, espectrocopia UV-Vis-NIR e medidas de resistência elétrica à temperatura ambiente.

O filme de Cd₂SnO₄ com espessura de 350 nm apresentou transmissão óptica maior que 90%, na região de 500 a 2000 nm, band gap óptico de 3,0 eV e condutividade de 2500 S m^-1 (4,0 x 10^-4 ohms m). O valor médio da condutividade dos 16 ensaios foi de 3463 S m^-1.

Os filmes de Cd₂Sb₂O_7-x apresentaram transmissão óptica superior a 80% na região de 500 a 2500 nm, índice de refração entre 1,58 e 1,9 (Lâmbda = 654nm) e energia da banda proibida de 3,3 eV. A condutividade do filme, o qual teve suas variáveis de preparação otimizadas, foi de 1333 S m^-1 (7,5 x 10^-4 ohms m), portanto, quatro ordens de grandeza maior que aquelas reportadas, na literatura, para o composto preparado por reação sólido-sólido.

Os filmes de Cd₂Nb₂O₇ apresentaram transmissão óptica superior a 90% na região entre 750 e 2500 nm e energia da banda proibida de 4,2 eV. Os índices de refração variaram de 1,61 a 1,74 ((Lâmbda = 1000 nm). A resistência dos filmes foi extremamente elevada e não pôde ser determinada com o equipamento disponível.

Foram realizadas, ainda, medidas de capacitância-voltagem e elipsometria em filmes de Cd₂Nb₂O₇ depositados sobre silício tipo p, com o intuito de avaliar suas potencialidades como candidato a substituir o SiO₂ em transistores por efeito de campo óxido-metal-semicondutor (MOSFETs).

As constantes dielétricas dos filmes foram 53 e 21, dependendo da espessura. Tais valores revelaram que o Cd₂Nb₂O₇ é um material promissor para substituir o SiO₂ como camada isolante para o eletrodo porta, em transistores por efeito de campo. Os demais óxidos mostraram-se interessantes materiais condutores e transparentes.

[FAPESP]