Estudo de desempenho e mecanismos de operação em transistors de interface eletrolítica baseados em óxido de tungstênio

Autor(es)

Martin Schwellberger Barbosa

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Araraquara. 2019-04-29.
• Instituição: Universidade Estadual Paulista (Unesp). Instituto de Química. Araraquara
• Data de defesa: 2019-04-15
• Orientador: Marcelo Ornaghi Orlandi

Resumo

Neste trabalho estudou-se sistemas de materiais derivados de trióxido de tungstênio (WO3) com diferentes eletrólitos para aplicações em transistores de filme fino com interface eletrolítica (EG-TFTs). Os materiais apresentaram diversas fases cristalinas (hexagonal, monoclínica, amorfa) e diferentes morfologias (granular, nanofibras, nanoplacas, nanopartículas e filmes lisos). Os principais eletrólitos utilizados foram líquidos iônicos e géis iônicos, contendo o cátion imidazolium. A motivação deste trabalho foi contribuir para o desenvolvimento do campo da iontrônica, ou seja, dispositivos em que a propriedade de um semicondutor é controlada por meio de fenômenos eletroquímicos. O uso de diferentes morfologias foi uma estratégia para controlar o desempenho dos dispositivos por meio das suas propriedades intrínsecas. Os materiais foram sintetizados por rotas químicas úmidas (sol-gel e hidrotermal) e de evaporação (RF sputtering). Caracterizações incluíram microscopia eletrônica, difração de raios X, espectroscopia de fotoelétrons, espectrometria de retroespalhamento Rutherford e área superficial (BET). Um estudo sistemático de operação de dispositivos transistors foi realizado utilizando os materiais granulares, nanofibras e nanoplacas com dois géis iônicos ([EMIM][TFSI]SOS e [EMIM][TFSI]SMS). Resultados de voltametria cíclica indicaram mecanismos eletroquímicos de dopagem com redução das espécies de W6+ com intercalação de prótons gerados a partir de resquícios de água. Além disso foi atribuído um mecanismo de dopagem química direta, com evolução eletroquímica de H2. Esses processos tiveram influência na modulação da condutividade do canal durante a operação dos dispositivos observando-se correlação entre os potenciais em que ocorriam aumentos de condutividade e os potenciais dos picos associados à redução. As diferentes morfologias apresentaram diferentes padrões de oxidoredução eletroquímica, que foram atribuídos ao arranjo iônico, e diferentes níveis de modulação, correspondentes à diferença na condução elétrica entre as partículas. Materiais com morfologia de nanoplacas tiveram maior desempenho de modulação de corrente e mobilidade de portadores, atingindo valores típicos de dispositivos de arquitetura de contato eletrolítico de alta eficiência. Os transistors foram também caracterizados em atmosferas com composição variável contendo H2, O2 e N2. Os objetivos foram elucidar os mecanismos de dopagem química e propor uma aplicação desses sistemas como sensores de gases. Observou-se que, principalmente principalmente com eletrodos de Pt, ocorreu uma dopagem irreversível dos filmes de WO3 com H2 por intermédio da interface eletrolítica, resultando na modulação da condutividade do semicondutor. A reversibilidade dessa dopagem ocorreu na presença de O2. Por fim, os mecanismos eletrostáticos dos transistors foram estudados por meio de perfis força-distância por microscopia de força atômica inoperando em EG-TFTs utilizando o liquido iônico [EMIM][TFSI]. Esses resultados indicaram que a camada iônica era altamente organizada mesmo que a superfície do WO3 fosse composta por nanopartículas. A espessura da primeira camada correspondeu a aproximadamente a dimensão de um cátion [EMIM]+. Além disso, essa camada foi deslocada para uma região mais próxima da superfície com a aplicação de campo elétrico, principalmente nas regiões centrais dos grãos. Os resultados obtidos neste trabalho reforçam a potencialidade da interface WO3 com líquidos iônicos para aplicações iontrônicas destacando como os mecanismos de dopagem podem ser usados de maneira estratégica para obter dispositivos com melhor desempenho. (AU)

• Processo FAPESP: 14/27079-9 - Transistores de contato por eletrólito baseado em filmes finos de WO3: influência da morfologia e estrutura dos filmes na performance dos dispositivos
• Beneficiário: Martin Schwellberger Barbosa
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado