Eletrodeposição de Bi2Se3: morfologia, estrutura e dopagem com cobre (Cu)

Abstract

Seleneto de bismuto (Bi2Se3) é um semicondutor que apresenta duas fases cristalinas distintas, com valor distinto de gap de energia e propriedades óticas, termoelétricas e topológicas de grande interesse. Neste trabalho, filmes foram crescidos através da técnica de eletrodeposição sobre substrato de silício (100). O estudo foi dividido em duas etapas, uma tratava da estrutura e morfologia dos filmes depositados e a outra da dopagem dos filmes. Na primeira etapa é visto que fazendo uso de um conjunto adequado de parâmetros de deposição obtêm-se filmes de aspecto compacto, uniforme e pouco rugoso, altamente desejável para futuras aplicações em dispositivos. A caracterização estrutural dos filmes indica a presença majoritária da fase ortorrômbica com traços da fase romboédrica e fases amorfas. A completa recristalização para a fase romboédrica pode ser obtida utilizando tratamentos térmicos curtos e sem necessidade de altas temperaturas. Na segunda etapa é mostrado que em filmes de Bi2Se3 dopados com cobre, o cobre atua como átomo substituicional na rede. Para baixas concentrações de cobre os filmes mantém as mesmas características estruturais e morfológicas de filmes não dopados. Caracterizações elétricas mostraram que os filmes dopados com cobre tratados termicamente apresentam menor resistividade elétrica e maior mobilidade de portadores quando comparados com filmes não dopados. Medidas de fotocorrente mostram altos valores de fotorresposta e sugerem baixa presença de centros de aprisionamento de portadores para todos filmes depositados com e sem cobre.

Abstract : Bismuth selenide (Bi2Se3) is a semiconductor presenting two distinct crystalline phases with distinct band gap and interesting optical, thermoelectric and topological properties. In this work, thin films were grown by electrodeposition onto silicon (100) substrate. The study was divided in two steps, one related to the structure and morphology of deposited films and other about the doping with Cu of the films. The first step shows that under an optimum set of deposition parameters very compact, uniform and smooth films can be obtained, highly desirable for future devices applications. Structural characterization of the samples indicates a majority of a metastable orthorhombic phase, with traces of rhombohedral and amorphous phases. A full recrystallization to the rhombohedral structure can be achieved by using short time and low temperature thermal treatments. In the second step it is shown that for Bi2Se3 films doped with copper, the copper incorporates as substitutional atom in the lattice. Films with low concentration of copper keep the same structural and morphological characteristics of non doped films. Electrical characterizations show that copper doped films with thermal treatment present lower electrical resitivity and higher charge carrier mobility when compared with non doped films. Photocurrent measurements show high photocurrent values and suggest a low influence of trapping centers for all deposited films with and without copper.