Fotoeletrodeposição de ferro sobre silício (111)

Abstract

Resumo: Este trabalho tem como objetivo a fotoeletrodeposição potenciostática de filmes de Fe sobre substratos de Si monocristalino com orientação (111) e suas caracterizações morfológicas, químico-estruturais e magnéticas. Para isso foram utilizadas soluções aquosas 10 mmol/L de Fe(NH4)2(SO4)2 em presença de sacarina sódica em concentrações de 0,5; 0,8; 1,0; 1,2 e 1,5 g/L e sulfato de cobalto sendo mantidas razões molares Co:Fe iguais a 1:99, 4:96, 5:95, 6:94 e 9:91. Baseado nas análises das curvas de voltametria cíclica e cronoamperometria foram escolhidos dois potenciais catódicos (-1,2 e -1,5 V versus Ag/AgCl) e um tempo de deposição 10 minutos para a obtenção de depósitos em presença desses dois aditivos. A análise das imagens de microscopia de força atômica da superfície de depósitos mostraram um padrão micromorfológico de troncos de pirâmides justapostos. Essa micromorfologia juntamente com a análise das curvas de cronoamperometria indicam um processo de nucleação aleatório seguido por um modo de crescimento tipo Volmer-Weber. As amostras também foram submetidas a análises por difração de raios-x, espectroscopia de fotoelétrons, magnetometria de força gradiente alternante e espectroscopia Mössbauer de elétrons de conversão. Depósitos crescidos sob potencial de -1,2 V em presença dos aditivos usados revelam a formação de filmes ferromagnéticos de Fe policristalinos, com estrutura cúbica de corpo centrado (a-Fe) sem a presença de óxidos e silicetos inerentes à formação dos depósitos. O aumento da concentração de ambos aditivos propiciou uma texturização dos filmes com a formação preferencial dos planos (110) paralelos à superfície das amostras. Com o aumento da concentração de Co nas soluções, a direção da magnetização das amostras tendeu a ficar fora do plano, seguindo a direção cristalográfica <110> que é a direção de fácil magnetização do ferro. Em depósitos crescidos sob potencial de -1,5 V ocorreu a formação de a-Fe, mas a adição de sacarina sódica não inibiu a formação dos silicetos de Fe (Fe2Si e Fe5Si3). Neste mesmo potencial de -1,5 V, a adição de Co propiciou a formação de depósitos com maior rugosidade consistindo de grânulos dispersos sobre a superfície do silício.

Abstract: The aim of this work is the potenciostatic photoelectrodeposition of Fe thin films onto single-crystal Si (111) substrates and their morphological, chemical-structural, and magnetic characterizations. It was used aqueous solutions of 10 mmol/L Fe(NH4)2(SO4)2 in the presence of sodium saccharin with concentrations of 0,5, 0,8, 1,0, 1,2 e 1,5 g/L and cobalt sulfate by helding the Co:Fe molar ratio of 1:99, 4:96, 5:95, 6:94 and 9:91. Two cathodic potentials (-1,2 and -1,5 V versus Ag/AgCl) and a deposition time of 10 minutes were choosen from the electrochemical analyses using cyclic voltammograms and chronoamperometric curves. The analyses of atomic force microscopy images reveal that the surface micromorphology of the deposits consists of juxtaposed truncated-pyramidal structures. The observation of this micromorphology together with the chronoamperometric measurements indicate a random nucleation process with a subsequent Volmer-Weber growth mode. The samples were also analysed by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, alternating gradient force magnetometry and conversion electron Mössbauer spectroscopy. Deposits grown under potentials of -1,2 V in the presence of the additives reveal the formation of ferromagnetic polycrystalline Fe films having a centered cubic structure (a-Fe) without presence of oxydes or silicides inherent of deposits. By increasing the concentration of both additives a crystalline texture of the films is induced where (110) planes are preferentially formed parallel to the sample surface. When the Co concentration in the solutions is increased the magnetization of the samples tends to come out of the sample plane by following the <110> crystalline orientation. For deposits grown under potential of -1,5 V it is observed the formation of aFe, however, the addition of sodium saccharin does not inhibit the Fe silicide formation (Fe2Si e Fe5Si3). In this same potential, the addition of Co propiciates the formation of deposits with higher roughness consisting of disperse granules on the silicon surface.