Propiedades eléctricas de películas delgadas mesoporosas TiO2 y nanocompuestos TiO2-metal para aplicación en dispositivos. - Linares Moreau, María de las Mercedes (Instituto Sabato, 2018)
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.