Crescimento de filmes finos de óxidos de vanádio depositados eletroquimicamente

Abstract

Resumo: Dentre os oxidos de vanadio, tais como V2O3, VO2 e V2O5, o VO2 e o que atrai a maior atencao, pois possui uma transicao de fase proxima a temperatura ambiente. Os filmes de VO2 sofrem uma transicao metal-semicondutor abrupta perto de 68 ‹C, acompanhada de mudancas drasticas nas suas propriedades estruturais, eletricas e opticas. Esta mudanca de fase, perto da temperatura ambiente, torna o ilme de VO2 um material atraente para uma ampla variedade de aplicacoes tecnologicas, tais como sensores, armazenamento optico e revestimentos para janelas inteligentes, entre outros. Varias tecnicas tem sido empregadas para depositar filmes finos de VO2 tais como sputtering, evaporacao, sol-gel e deposicao por ablacao a laser. Em todas as tecnicas conhecidas para producao de VO2, tratamentos termicos osteriores a deposicao sao normalmente usados como um passo necessario para obter o VO2. Apesar de tudo, ainda e dificil produzir filmes finos monofasicos de VO2 devido a existencia de uma complexidade de outras ases. Neste trabalho, produziram-se filmes finos de VO2 depositados diretamente sobre substrato de silicio (001) usando uma tecnica alternativa: a eletrodeposicao. Todos os experimentos de eletrodeposicao foram realizados a temperatura ambiente, utilizando uma celula estacionaria de tres eletrodos com um galvanostato/potenciostato comercial. As principais amostras foram produzidas no potencial catodico de -0,75 V/VAg/AgCl, a partir de solucoes de 150 mmol/L de VOSO4.xH2O dissolvidas em solucoes de agua bi-destilada. Os filmes de VO2 sao obtidos depositando VOx (um xerogel composto principalmente de V+5) seguido de um armazenamento em condicoes atmosfericas por 45 dias. Apos esse periodo as am stras sao submetidas a um tratamento termico a vacuo, na temperatura de 500 ‹C, por cerca de quatro horas, para concluir a formacao dos filmes de VO2. Durante o tempo de armazenamento ao ar, um processo de oxidacao ocorre, convertendo o V2O(5-ƒÂ)n(H2O) um xerogel, em V2O5.(H2O). Durante o tratamento ocorre a transformacao de fase do V2O5.(H2O) em VO2. Analises de DRX, XPS e XANES confirmam que, apos o tratamento termico, a amostra e predominantemente constituida de VO2 e que a fracao de VO2 elativa na amostra esta fortemente relacionada com o tempo de armazenamento nas condicoes atmosfericas antes do tratamento termico. A resistencia em funcao da temperatura mostra uma histerese com duas temperaturas de transicao (T1 â 55 ‹C e T2 â 77,5 ‹C), que correspondem a diferentes fases monoclinicas (M1 e M2). Os depositos sao fortemente aderidos ao substrato e altamente texturizadas com os planos 011) orientados paralelamente a superficie do filme.

Abstract: Among the oxides such as V2O3, VO2 and V2O5, VO2 attracts most of the attention because its phase transition is near room temperature. VO2 film undergoes an abrupt semiconductor–metal transition around 68 °C, accompanied by dramatic changes in its structural, electrical and optical properties. These dramatic changes near room temperature makes the VO2 film an attractive material for a wide variety of technological applications such as optical switching and detection for sensors, optical sto age, laser protection, and smart window coatings. Various techniques have been used to fabricate VO2 thin films, such as sputtering, evaporation, sol–gel, and pulsed laser deposition (PLD). Post annealing treatment is often used as an intermediate reduction step to obtain VO2 thin films for all techniques mentioned above. Despite of this, it is still difficult to produce a VO2 single-phase thin film due to the complexity of available vanadium oxides. In this study, we report on the fabrication of thin films of VO2 onto silicon (001) substrates using electrodeposition technique. All the electrodeposition experiments were performed at room temperature using a stationary three-electrode cell with a commercial galvanostat/potentiostat. A series of samples were performed at cathodic potential of .0,75 V/VAg/AgCl from solutions of 150 mmol/L VOSO4.xH2O dissolved in bi-distilled water solutions. Firstly, the VOx films were deposit during 1800 s, resulting in a xerogel mainly composed of V+5 after the storage in atmospheric conditions. These deposits were annealed under vacuum at 500 °C during approximately four hours,. During the storage time an oxidation process occurs, onverting the V2O(5-ä)n(H2O) xerogel to V2O5.(H2O). Subsequently, the V2O5.(H2O) film is transformed in VO2 by annealing. XRD (X-ray difrraction), XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) and XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) analyses show that VO2 is predominantly formed after annealing and the amount of VO2 in the films is strongly dependents on the storage time under atmospheric conditions, before nnealing. tructural and electrical measurements confirmed that the main phase after annealing is in fact VO2. The resistance versus temperature measurement shows a broad hysteresis curve with two transition temperatures (T1 » 55 °C and T2 » 77.5 °C) which correspond to different monoclinic phases (M1 and M2). These phases are strongly clamped on the substrate and highly textured with (011) planes orientated arallel to the film surface.