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

Abstract

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.