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Type: Tese de Doutorado
Title: Propriedades elétricas e fotoelétricas de Nanofitas de SnO2
Authors: Emilson Ribeiro Viana Junior
First Advisor: Juan Carlos Gonzalez Perez
First Co-advisor: Geraldo Mathias Ribeiro
metadata.dc.contributor.advisor-co2: Alfredo Gontijo de Oliveira
First Referee: Simone Silva Alexandre
Second Referee: Franklin Massami Matinaga
Third Referee: Ihosvany Camps Rodríguez
metadata.dc.contributor.referee4: Marcelo Ornaghi Orlandi
Abstract: Essa tese trata do estudo das propriedades elétricas e fotoelétricas de nanofitas isoladas de óxido de estanho, SnO2. Para a realização desse trabalho, nanofitas de SnO2 foram crescidas pelo método vapor-líquido-sólido. Utilizando- -se técnicas de litografia ótica foram fabricados transistores de efeito de campo de nanofitas isoladas com a finalidade de estudar seu transporte elétrico em diversas condições de temperatura, iluminação e atmosferas. Inicialmente estudamos a morfologia e estrutura cristalina das nanofitas utilizando as técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura, Microscopia de Força Atômica, Microscopia Eletrônica de Transmissão e Difração de Raios-X. Após essa caracterização básica foram fabricados os dispositivos. O transporte elétrico das nanofitas de SnO2 foi estudado através de medidas, no escuro, da resistividade em função da temperatura. Diferentes modelos de condução foram utilizados para analisar os dados experimentais em várias faixas de temperatura: transporte termicamente ativado nas bandas de condução e valência, transporte por saltos entre primeiros vizinhos em bandas de defeitos e finalmente transporte por saltos de alcance variável em bandas de defeito. Através desses estudos mostramos que ainda que as nanofitas apresentem dimensões nanométricas da seção transversal, o que poderia sugerir que o transporte é unidimensional, em termos da condução por saltos nas bandas de defeitos as nanofitas de SnO2 se comportam como um sistema tridimensional. A condutividade das nanofitas de SnO2 foi também medida sob iluminação ultravioleta, variando-se a temperatura da amostra de 400 K até 4 K. Calculamos que a densidade de cargas foto-induzidas na nanofita pela luz UV é tão alta, acima de 150 K, que ultrapassa a densidade crítica de Mott e a nanofita transita do estado isolante ou semicondutor para o estado metálico. Experimentalmente observamos a transição metal-isolante a 240 K. A observação dessa transição nessas nanoestruturas mostra o potencial delas para aplicações em novos tipos de dispositivos eletrônicos. Esse fenômeno é resultado do elevado grau de desordem nas nanofitas. O efeito da quantização da condutividade na banda de condução foi observado nas nanofitas de SnO2 através de oscilações na curva característica da corrente de dreno em função da tensão de porta do transistor, a baixas temperaturas. O confinamento quântico dos elétrons criou sub-bandas de energia, que são sucessivamente preenchidas quando variamos o nível de Fermi no material através do aumento ou diminuição a tensão da porta. A separação energética máxima entre as sub-bandas observadas foi estimada em 5,5 meV, o que está de acordo com resultados experimentais e a dependência térmica das oscilações que desaparecem para temperaturas acima de 50 K. A fotocondutividade nas nanofitas de SnO2 foi estudada em função da temperatura e para diferentes atmosferas: ar, hélio e vácuo. As nanofitas apresentam um grande e rápido aumento da condutividade elétrica quando submetidas à iluminação ultravioleta. Esse efeito cresce quando diminuímos a temperatura ou a concentração de oxigênio no ambiente. Porém, quando a luz UV é desligada, a fotocorrente decai lentamente com tempos característicos da ordem de horas, o que caracteriza o efeito da Fotocondutividade Persistente. Esse feito foi explicado através dos fenômenos de absorção e dessorção de oxigênio molecular na superfície da fita. A dependência térmica da Fotocondutividade Persistente foi explicada através da ativação térmica de um buraco de um nível aceitador EA para a banda de valência, com uma energia de ativação de 230 meV.
Abstract: A study of the electrical and photoelectrical properties of isolated SnO2 nanobelts is presented in this theses. The nanobelts were grown by the vaporliquid- solid method and, by using optical lithography, were fabricated fieldeffect- transistors in order to study the nanobelt´s electrical transport in different temperatures and atmospheric conditions. At first, the morphology and crystal structure of the nanobelts were studied by Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscopy, Transmission Electron Microscopy and X-ray Diffraction. Them, devices of isolated nanobelts were fabricated. The electrical transport of individual nanobelts was measured in darkness by measuring the resistivity as a function of temperature. Several models were used to analyze the experimental data in different temperature regions: thermally activated conduction in the conduction band, nearest-neighbor hopping conduction in a defect band and variable range hopping conduction in a defect band. Through these studies it was possible to show that despite to the expected 1D transport in this thin nanoestructures, the nanobelts behave as a three-dimensional system from the hopping conduction point of view. The conductivity of the nanobelts was also measured as a function of temperature under ultra-violet illumination. Calculations of the photo-induced charge density is so high that for temperatures higher than 150 K it exceed the Mott critical density and the nanobelt transit from the insulating or semiconducting state to the metallic state. This metal-insulator transition was experimentally observed at 240 K. The observation of this transition demonstrate the potential of these nanostructures for applications in new kind of electronic devices. This phenomena was attributed to the large degree of disorder in the nanobelts. The effect of the quantization of the conduction in the conduction band of was observed in the nanobelts trough oscillations in the source current vs. gate voltage curve of the transistors, at low temperatures. The quantum confinement of electrons creates energy sub-bands that are filled by changing the Fermi level in the material with the gate voltage. A maximum energy separation of 5.5 meV was estimated between the sub-bands, in agreement with the flattening of the current oscillations for temperatures above 50 K. The photoconductivity of SnO2 nanobelts was measured as a function of temperature and in different atmospheres: air, helium, vacuum. Under ultraviolet illumination it was observed a fast and strong enhancement of the photoconductivity. This effect is enhanced at low temperature and low oxygen concentrations in the atmosphere. When the light is turned off the induced photocurrent slowly decays with lifetimes up to several hours, characterizing the Persistent Photoconductivity effect. This effect was explained in terms of the adsorption and desorption of molecular oxygen at the surface of the nanobelts. The temperature dependence of the persistent photoconductivity was explained in terms of the thermal activation of holes from a shallow acceptor to the valence band of the material, with activation energy of 230 meV.
Subject: Nanofios
Estrutura cristalina
Nanofios semicondutores
Raios X Difração
Microscopia eletrônica
Física
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9HTFFG
Issue Date: 17-Feb-2014
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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