Síntese e caracterização de homojunções p-n baseadas em filmes finos de aerogéis de ZnO-Na/ZnO-Al

Abstract

O óxido de zinco (ZnO) é um semicondutor com um band gap direto largo (~ 3,37 eV), que tem atraído atenção de pesquisas devido a potencial aplicação em eletrônica e optoeletrônica. Como resultado das vacâncias de oxigênio, o ZnO mostra um comportamento de condução natural do tipo n que pode ser aumentado por dopantes como Al, já a condução do tipo p, é dificultada no ZnO principalmente pelo efeito autocompensador e à baixa solubilidade dos dopantes aceitadores. Como forma de obter ZnO tipo p estável, alguns estudos relatam o uso do Na como dopante, já que teoricamente, ele pode ter uma melhor solubilidade em ZnO e permitir a fabricação de homojunções ZnO p-n. Portanto, este trabalho relata a síntese e caracterização de junções ZnO-aerogéis dopadas com Al e ZnO dopadas com Na para aplicações eletrônicas. Os aerogéis de ZnO foram sintetizados por processo sol-gel com diferentes concentrações (2,5-7,5%) de Al e Na, os géis obtidos passaram por uma secagem supercrítica de CO_2 e foram calcinados a 500 ° C para remover as substâncias orgânicas e obter um material cristalino. As amostras foram caracterizadas por meio das técnicas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM), área superficial (BET), difração de raios X (DRX), e medidas de espectroscopia de absorção (UV-VIS) e condutividade elétrica. Para a caracterização elétrica das junções, os aerogéis de ZnO dopados foram depositados em substratos comerciais de vidro recoberto com óxido de índio e estanho (ITO) pelo método de drop casting. A estrutura das seções transversais das amostras depositadas nos substratos foi observada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os dispositivos construídos foram submetidos a medidas de curva I×V que revelaram a característica retificadora das homojunções de ZnO.

Abstract: Zinc oxide (ZnO) is a semiconductor with a direct wide band gap (~3.37 eV), which has attracted substantial research attention due its potential application in electronics and optoelectronics. As a result of oxygen vacancies, ZnO shows a natural n-type conduction behavior that can be increased by dopants such as Al. Hole conduction, on the other hand, is hindered mainly due to the self-compensating effect and low solubility of acceptor dopants. As a way to mitigate these effects and obtain stable p-type ZnO, some studies report the use of Na as a dopant, since theoretically, it can increase its solubility in ZnO and allow the manufacturing of ZnO p-n homojunctions. Therefore, this work reports the synthesis and characterization of Al-doped ZnO and Na-doped ZnO-aerogels junctions for electronic applications. ZnO aerogels were synthesized by a sol?gel process with different concentrations (2.5-7.5 wt%) of Al or Na, the obtained gels were dried under supercritical CO2 and calcined at 500 °C to remove the organic substances and obtain a crystalline material. The as-prepared calcined aerogels were characterized by transmission electron microscopy (TEM), surface area (BET), X-ray diffraction (XRD), absorption spectroscopy (UV-VIS) and electrical conductivity measurement. For the electrical characterization of the junctions, the doped ZnO aerogels were deposited on commercial glass substrates coated with indium tin oxide (ITO) by drop casting method. The cross-sectional structure of the samples deposited on the substrate were observed by scanning electron microscopy (SEM). The constructed devices were submitted to I×V curve measurements that revealed the rectifying characteristic of the ZnO homojunctions.