Sensores baseados em nanofios semicondutores de SnO2: fotodetector de luz UV e sensor de gás

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Araujo, Estacio Paiva
Orientador(a): Chiquito, Adenilson Jose lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Física - PPGF
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16203
Resumo: In this work, sensors employing SnO2 semiconductor nanowires as active layer for gas and light detection were built. SnO2 nanowire samples were grown by VLS (VapourLiquid-Solid) method and morphological and structural properties were analyzed. XRD results exhibited SnO2 tetragonal rutile phase, within space group P42/mnm and lattice parameteres of a = b = 4.73 Å and c = 3.18 Å (JCPDS 41-1445). SEM images confirmed the desired morphology and TEM images revealed monocristaline character. Two different sensors’ architecture were chosen: a Metal-Semiconductor-Metal (MSM) with a nanowire network and a Field Effect Transistor with a single nanowire (NWFET). Current-voltage measurements of the SnO2 nanowire network devices with and without ultraviolet (UV) and visible (VIS) irradiation ranges were studied. Results indicated that a barrier is formed between the nanowire network and metallic contact when in absence of light, whereas under UV illumination there was an appreciable photoconductive gain and a small one under VIS illumination. NWFET’s values of charge density and mobility were estimate, of 1.6x1019 cm-3 and 3.7x10-4 cm2/Vs, respectively. Under UV illumination, the NWFET presented an ambipolar behavior, while under VIS illumination a unipolar response. SnO2 nanowire network’s photoresponse had a ION/IOFF ratio of 170 and 8.2 for UV and VIS light, respectively. In addition, response time was 2.8 s for UV light and 98s for VIS light, althought UV light measurements presented multiple decay times of 0.55 s and 145.84 s and for VIS light only one decay time of 153 s. NWFET photodetector response curves displayed a ION/IOFF ratio of 309 and 57 for VDS = + 1 V and VDS = - 1 V, respectively. For a positive voltage, VDS = + 1 V, the rise time was about 0.59 s and decay time was 0.63 s. Under a negative applied voltage, VDS = - 1 V, rise and decay times were 0.68 s and 0.75 s, respectively, were obtained. For the VIS light condition, no photocurrent variation in the NWFET was observed. The SnO2 nanowire network device was also used to study gas sensoring at room temperature. Sensor response, (), was found to be about 32 % and 9 % for acetone concentrations of 970 ppm and 50 ppm, respectively. In order to optimize and enhance the reponse, differentvii values of applied voltage were tested, resulting in a response of 32 % for V = + 9 V and 49 % for V = + 0.1 V. Given that, smaller values of applied voltage improved our sensor’s response.
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SEM images confirmed the desired morphology and TEM images revealed monocristaline character. Two different sensors’ architecture were chosen: a Metal-Semiconductor-Metal (MSM) with a nanowire network and a Field Effect Transistor with a single nanowire (NWFET). Current-voltage measurements of the SnO2 nanowire network devices with and without ultraviolet (UV) and visible (VIS) irradiation ranges were studied. Results indicated that a barrier is formed between the nanowire network and metallic contact when in absence of light, whereas under UV illumination there was an appreciable photoconductive gain and a small one under VIS illumination. NWFET’s values of charge density and mobility were estimate, of 1.6x1019 cm-3 and 3.7x10-4 cm2/Vs, respectively. Under UV illumination, the NWFET presented an ambipolar behavior, while under VIS illumination a unipolar response. SnO2 nanowire network’s photoresponse had a ION/IOFF ratio of 170 and 8.2 for UV and VIS light, respectively. In addition, response time was 2.8 s for UV light and 98s for VIS light, althought UV light measurements presented multiple decay times of 0.55 s and 145.84 s and for VIS light only one decay time of 153 s. NWFET photodetector response curves displayed a ION/IOFF ratio of 309 and 57 for VDS = + 1 V and VDS = - 1 V, respectively. For a positive voltage, VDS = + 1 V, the rise time was about 0.59 s and decay time was 0.63 s. Under a negative applied voltage, VDS = - 1 V, rise and decay times were 0.68 s and 0.75 s, respectively, were obtained. For the VIS light condition, no photocurrent variation in the NWFET was observed. The SnO2 nanowire network device was also used to study gas sensoring at room temperature. Sensor response, (), was found to be about 32 % and 9 % for acetone concentrations of 970 ppm and 50 ppm, respectively. In order to optimize and enhance the reponse, differentvii values of applied voltage were tested, resulting in a response of 32 % for V = + 9 V and 49 % for V = + 0.1 V. Given that, smaller values of applied voltage improved our sensor’s response.Nesse trabalho foram construídos sensores que utilizam nanofios semicondutores de SnO2 como camada ativa para a detecção de luz e gás. Os nanofios de SnO2 foram crescidos via o método VLS (Vapor-Líquido-Sólido) e no intuído de entender as suas propriedades estruturas e morfológicas as amostras foram analisadas. O resultado da Difração de Raio-X mostrou a fase tetragonal do tipo rutila do SnO2 com o grupo espacial P42/mnm e os parâmetros de rede encontrados foram com a = b = 4.73 Å e c = 3.18 Å (JCPDS 41-1445). As imagens MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura) confirmaram a morfologia desejada e as imagens de MET (Microscopia Eletrônica de Transmissão) revelaram o caráter monocristalino. Duas arquiteturas diferentes foram escolhidas para a fabricação dos sensores: uma estrutura Metal-Semicondutor-Metal (MSM) com a rede de nanofios e o transistor de efeito de campo utilizando apenas um único nanofio (NWFET). As medidas corrente-tensão do dispositivo com a rede de nanofios de SnO2 foram estudas em três condições: sem iluminação e com iluminação nas faixas ultravioleta (UV) e visível (VIS). Os resultados indicaram possíveis barreiras formadas entre a interface rede de nanofios e o contato metálico na ausência de luz, enquanto sob iluminação UV houve um ganho fotocondutivo apreciável e sob iluminação VIS uma pequena variação na corrente elétrica foi notada. Dispositivos NWFET foram estudados e obtiveram-se os valores de densidade de carga e mobilidade como sendo 1.6x1019 cm- 3 e 3.7x10-4 cm2/Vs, respectivamente. Sob iluminação UV os dispositivos NWFET mostraram uma resposta ambipolar e enquanto para a faixa VIS a resposta foi unipolar. A fotoresposta para dispositivos com a rede de nanofios de SnO2 mostraram razões ION/IOFF de 170 e 8.2 para UV e VIS, respectivamente. Além desses dados, o tempo de resposta obtido foi de 2.8 s (UV) e 98 s (VIS), porém observou-se que sob iluminação UV múltiplos processos de decaimento foram excitados, sendo obtido 0.55 s e 145.84 s enquanto que para luz VIS somente um decaimento com 153 s. Os dispositivos NWFET apresentaram respostas com razão ION/IOFF de 309 e 57 para VDS = + 1 V e VDS = -1 V, respectivamente. Para tensão positiva, VDS = + 1 V, o tempo de resposta foi de 0.59 e ov tempo de decaimento foi de 0.63 s e sob tensão negativa, VDS = - 1 V, os tempos de resposta e de decaimento para a luz UV foram de 0.68 s e 0.75 s, respectivamente. Para a luz VIS não foram observadas variações na fotocorrente apreciáveis. O sensor de gás foi estudado usando a rede de nanofios de SnO2 operando na temperatura ambiente. A resposta do sensor, (), alcança 32% e 9% para as concentrações do vapor de acetona de 970 ppm e 50 ppm, respectivamente. Afim de otimizar e melhorar a resposta do sensor, diferentes valores de tensão foram testados, resultando em uma melhoria na detecção de 32% em V = + 9 V para 49% em V = + 0.1 V. Dessa forma, menores valores de tensão aplicada geraram uma melhoria da resposta do sensor.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)CAPES: Código de Financiamento 001porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Física - PPGFUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessNanofiosOxido de estanhoSensoresCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::ESTRUTURAS ELETRONICAS E PROPRIEDADES ELETRICAS DE SUPERFICIES INTERFACES E PELICULASSensores baseados em nanofios semicondutores de SnO2: fotodetector de luz UV e sensor de gásSensors based on SnO2 semicondutors nanowires: UV photodetector and gas sensorinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis600600385db7e6-0e98-47ea-a9a7-b3081661e01areponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese_Estacio_final.pdfTese_Estacio_final.pdfapplication/pdf6265417https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3f0f74fe-4b0e-46b3-874d-5daebbcd8d78/downloadbfc2344f26e74cde128594615fc94201MD51trueAnonymousREADcarta versão final MODELO.pdfcarta versão final MODELO.pdfCarta Comprovante assinada pelo Orientadorapplication/pdf595412https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/db0aaed7-310a-4701-85fb-31ecd574094b/download4250ac1d5c7a32611cf9d5f608731f0bMD53falseCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/341d2470-6f69-4320-a0d8-3d9a16791b86/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD54falseAnonymousREADTEXTTese_Estacio_final.pdf.txtTese_Estacio_final.pdf.txtExtracted texttext/plain159943https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5d52443e-848a-4dd0-96e0-ee4a3ee85a07/downloada50fcbfae5e5eb58de6bc2e638d87a17MD59falseAnonymousREADcarta versão final MODELO.pdf.txtcarta versão final MODELO.pdf.txtExtracted texttext/plain1409https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/14e91e7a-84d5-42ff-b7bd-ce8c0512c51d/downloadcef27be43b0a94618973e1c4dac4f1d1MD511falseTHUMBNAILTese_Estacio_final.pdf.jpgTese_Estacio_final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6105https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c0d3a77f-4a86-4878-8ed5-243985e074dc/download0ad8a77e8f9aa63ed95d18dde8b7f309MD510falseAnonymousREADcarta versão final MODELO.pdf.jpgcarta versão final MODELO.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg3789https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/976ba04e-dd4e-45fc-8815-91db99f5b6d3/download1f16feee6000c2a1419f5523a942e3d4MD512false20.500.14289/162032025-02-05 21:26:16.849http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/16203https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T00:26:16Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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