Efeitos produzidos pelo tratamento térmico nas propriedades estruturais, morfológicas, ópticas, elétricas e sensoriais de filmes de In2O3dopados com Sn

Abstract

Neste trabalho foram estudados os efeitos do tratamento térmico em atmosfera de ar e em vácuo sobre as propriedades estruturais, morfológicas, ópticas, elétricas e sensoriais de filmes de In2O3dopados com Sn (ITO) depositados usando diferentes tempos de deposição (2, 3, 4, 6, 7, 8 h) por DC “Sputtering”. Os filmes como crescidos foram divididos em dois lotes (séries). Um lote foi submetido a tratamento térmico em atmosfera de ar e o segundo lote a tratamento térmico emvácuo. Diferentes técnicas de caracterização foram utilizadas, tais como difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (SEM), espectroscopia UV-Visível (UV-Vis), medidas elétricas e efeito Hall. Através do estudo das propriedades estruturais foi determinada a formação da fase cubica bixbyite e uma fase secundaria minoritária (<8%) correspondente ao In metálico ou à fase isomórfica hexagonal. Uma diminuição na cristalinidade também foi observada nos filmes à medida que o tempo de deposição aumentou. Através da análise dasimagens de SEM foi determinada uma relação linear entre o tempo de deposição e a espessura dos filmes, tendo uma taxa de ~119 nm/h. Os valores das espessuras obtidas porSEM foramcorroborados com os valores determinados através de medidas de espectroscopia UV-Vis, usando o método de envelope. Mediante asmedidas de resistividade em função da temperatura, determinou-se que os filmes de ITO tratados em vácuo apresentam uma transição metal–isolante em T=113-153K, com uma baixa resistividade e alta concentração de portadores de carga (𝜌=8,14𝑥10−4Ω−𝑐𝑚e 𝑛𝑒=6,41𝑥1020𝑐𝑚−3em T=300K para o filme depositado por 8h). Já os filmes tratados termicamente em ar mostraram somente um comportamento semicondutor em toda a faixa de temperaturas, mas resistivos e com menor concentração de portadores de carga. Por outro lado, os filmes tratados em vácuo mostram valores de gap óptico ligeiramente maiores que os filmes tratados em atmosfera de ar, o que foi associado ao efeito Moss-Burstein relacionado com a maior densidade de portadores de carga. Já a diminuição no gap óptico em função da espessura dos filmes foi associada com a ocorrência de interações elétron-elétron e elétron-impurezas, conhecido como efeito de renormalização. Os resultados obtidos através da caracterização estrutural, elétrica e morfológica sugerem a presença de oxigênio em sítios intersticiais da estrutura bixbyite dos filmes tratados em atmosfera de ar, os que são responsáveis por desativar a carga extra proporcionada por íons de Sn4+ao substituir íons de In3+, induzindo uma maior desordem na estrutura cristalina bixbyite.Os testes de sensibilidade com gás metano mostraram que, apesar dos filmes tratados em atmosfera de ar conterem uma menor concentração de portadores de carga, eles apresentam uma maior sensibilidade e reprodutibilidade quando comparados aos filmes tratados em vácuo.