Propiedades eléctricas de películas delgadas mesoporosas TiO2 y nanocompuestos TiO2-metal para aplicación en dispositivos
2018
| Tesista | María de las Mercedes LINARES MOREAU Licenciada en Ciencias Físicas - Universidad de Buenos Aires - Argentina Doctora en Ciencia y Tecnología, Mención Física - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Director | Dr. Pablo Eduardo LEVY. CNEA, UNSAM - Argentina |
| Codirectora | Dra. Leticia Paula GRANJA. CNEA, UBA - Argentina |
| Lugar de realización | Departamento Materia Condensada, Gerencia Investigación y Aplicaciones, Gerencia de Área Investigación y Aplicaciones No Nucleares - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 28/03/2018 |
| Jurado | Dr. Carlos Javier CURIALE. CNEA, UNCuyo, CONICET - Argentina Dr. Federico GOLMAR. UNSAM, CONICET - Argentina Dr. Alejandro WOLOSIUK. CNEA, UBA, CONICET - Argentina |
| Código | IS/TD 117/18 |
Título completo
Propiedades eléctricas de películas delgadas mesoporosas de TiO2 y nanocompuestos TiO2-metal para aplicación en dispositivos
Resumen
El dióxido de titanio es un óxido multifuncional prototípico que ha atraído un amplio interés durante décadas debido a su gran variedad de propiedades físicas y químicas, con aplicaciones reales y potenciales en catálisis, celdas solares, revestimientos protectores, sensores de gases y dispositivos electrónicos, entre otros. Dentro de este escenario, la ciencia de superficies ha centrado su interés en comprender, mejorar y explotar las propiedades de superficie e interfaz de la titania. El TiO2 en forma de películas delgadas mesoporosas (PDMP) combina estas atractivas propiedades del óxido, con las propiedades derivadas de su gran superficie específica dada por el arreglo poroso altamente accesible. Además, la incorporación de nanopartículas (NP) metálicas dentro de los poros de las PDMP permite aprovechar sus propiedades derivadas del tamaño y confinamiento de las NP, protegiéndolas del entorno.
Las PDMP se sintetizaron mediante el método de sol-gel a partir de precursores moleculares en combinación con el autoensamblado de surfactantes sobre sustratos conductores de Si altamente dopado. Se sintetizaron NP metálicas en el interior de la porosidad utilizando dos métodos: fotorreducción de Ag+ en solución para las muestras con NP de Ag, y reducción suave de AuCl4- en NaBH4 para las muestras infiltradas con NP de Au. En este trabajo se realizó un estudio de las propiedades eléctricas locales mediante diferentes técnicas de Microscopía de barrido por sonda (SPM) en las PDMP de TiO2, y en nanocompuestos TiO2-metal formados por PDMP de TiO2 con NP de Ag y Au en el interior de los poros. Este estudio se complementó con mediciones de transporte eléctrico a través de curvas corriente-tensión con distintos protocolos y espectroscopía de impedancia en PDMP con electrodos definidos por litografía, lo que permitió explorar otros parámetros como la dependencia con el área y el metal de los mismos. Teniendo en cuenta que la morfología y la accesibilidad de estos sistemas los hace especialmente sensibles, amplificando los efectos superficiales y de interfaz, el trabajo se enfocó especialmente en analizar el comportamiento eléctrico en distintas condiciones de humedad relativa del entorno de la muestra y se exploraron también diferentes aspectos de la interfaz óxido-metal. A partir de estos experimentos, se intentó dilucidar los distintos mecanismos de conducción electrónica y procesos electroquímicos que ocurren dentro del óxido y en su interacción con el agua adsorbida sobre su superficie accesible.
En las PDMP de TiO2, se encontró que tanto la resistencia local 3D como la topografía se modifican significativa e irreversiblemente en escala submicrométrica al aplicar un campo eléctrico constante, dependiendo fuertemente del agua adsorbida en los poros. Además, a partir de los estudios en dispositivos con electrodos micrométricos en estas PDMP, se pudo asociar estos efectos a distintos procesos iónicos y electrónicos que ocurren simultáneamente en estos materiales bajo un estímulo eléctrico en diferentes condiciones de humedad ambiente.
En el caso de las PDMP con NP de Ag, al aplicar campos eléctricos intensos mediante Microscopía de Fuerza Atómica con punta conductora (CAFM), se puede inducir y controlar la migración y redistribución de iones Ag+ a través de la estructura porosa del TiO2, modificando localmente la conductividad y la topografía en función de la intensidad y la polaridad del campo eléctrico aplicado.
A partir de diferentes técnicas de SPM que permiten medir y controlar las propiedades eléctricas locales, en particular la Microscopía de Sonda Kelvin y Microscopía de Contraste de Capacitancia, se pudo correlacionar las propiedades eléctricas locales con la morfología de las PDMP con NP de Au obteniendo información tridimensional de la muestra: se logró la localización en profundidad de las nanopartículas de Au en la película mesoporosa y una estimación de la morfología y distribución de las mismas dentro del espesor de la película.
Los resultados presentados en esta Tesis contribuyen a la comprensión de este tipo de materiales y pueden ser relevantes en el desarrollo y caracterización de micro y nanodispositivos basados en TiO2 y en nanocompuestos TiO2-metal.
Complete Title
Electrical transport properties of mesoporous TiO2 thin films and TiO2-metal nanocomposites for device applications
Abstract
Titanium dioxide is a prototypical multifunctional oxide that has attracted wide interest for decades due to its great variety of chemical and physical properties with actual and potential applications in catalysis, solar cells, protective coatings, gas sensors and electronic devices, among others. Within this scenario, surface science has focused its interest in understanding, improving and exploiting the surface properties and interface of titania. Within this scenario, surface science has focused its interest in understanding, improving and exploiting the surface and interface properties of titania. Titanium dioxide processed in the form of mesoporous thin films (MTF) combines the oxide's attractive properties, with the properties derived from its large specific surface given by the highly accessible porous arrangement. In addition, the incorporation of metallic nanoparticles (NP) within the pores of the MTF allows to take advantage of their properties derived from the size and confinement of the NPs, protecting them from the environment.
The MTF were synthesized by the sol-gel route from molecular precursors in combination with self-assembly of surfactants on highly doped Si conductive substrates. Metallic NPs were synthesized inside the porosity using two methods: photoreduction of Ag+ in solution for samples with Ag NP, and soft reduction of AuCl4- in NaBH4 for samples with Au NP. In this work, a study of the local electrical properties was carried out in TiO2 MTF, and in TiO2-metal nanocomposites formed by MTF embedded with Ag or Au nanoparticles inside the pores, through different Scanning Probe Microscopy (SPM) techniques. This study was complemented with electrical transport measurements, through current-voltage curves and impedance spectroscopy in MTF with electrodes defined by lithography. This allowed to explore other parameters such as the dependence with electrode area and composition.
Taking into account that the morphology and accessibility of these systems makes them especially sensitive, enhancing surface and interface effects, this work was especially focused on analyzing the electrical behavior under different relative humidity conditions of the sample environment, and different aspects of the metal-oxide interface were also explored. From these experiments, we tried to elucidate the different mechanisms of electronic conduction and electrochemical processes that occur within the oxide and in its interaction with the water adsorbed on its accessible surface.
We have found in the TiO2 MTF that both the 3D local resistance and the topography are significantly and irreversibly modified on a submicrometric scale by applying a constant electric field. This process depends strongly on the water adsorbed in the pores of the film. In addition, from the studies in devices with micrometric electrodes in these MTF, we could relate these effects to different ionic and electronic processes that occur simultaneously in these materials under an electrical stimulus in different environmental humidity conditions.
In the case of MTF with Ag NP, we found that by applying intense electric field using Conducting-tip Atomic Force Microscopy (CAFM), the migration and redistribution of Ag+ ions can be induced and controlled through the porous structure of TiO2, locally modifying the conductivity and topography as a function of the intensity and polarity of the applied electric field.
From different SPM techniques that allow to measure and control the local electrical properties, in particular Kelvin Probe Force Microscopy and Scanning Capacitance Microscopy, it was possible to correlate the local electrical properties with the morphology of the MTFs with Au NP, obtaining three-dimensional information of the sample: an in-depth localization of the Au nanoparticles in the mesoporous film was achieved and the morphology and distribution of the Au NPs within the film thickness could be estimated.
The results presented in this Thesis contribute to the understanding of this type of materials and may be relevant in the development and characterization of micro and nanodevices based on TiO2 and metal-TiO2 nanocomposites.
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