Tuning the physical properties in Fe doped ITO films by controlling intrinsic and extrinsic defects

Abstract

Óxidos magnéticos condutores transparentes, como o óxido de índio-estanho (ITO) dopado commetais de transição, têm despertado crescente interesse devido às suas potenciais aplicaçõesem dispositivos optoeletrônicos e espintrônicos, em razão da elevada densidade de portadoresde carga e da possibilidade de se obter ferromagnetismo à temperatura ambiente. Nesta tese, éapresentado um estudo abrangente das propriedades físicas de filmes finos de In2O3 dopados comSn e de ITO dopado com Fe, crescidos pela técnica de sputtering. Inicialmente, foi investigadaa concentração crítica de estanho, na qual foram observadas propriedades ópticas e elétricasótimas, demonstrando que o Sn apresenta boa solubilidade na matriz de In2O3 sem a formaçãode fases secundárias, com uma distribuição uniforme dos átomos em todo o filme. Medidas deefeito Hall revelaram que uma concentração de ∼10% de Sn resultou na maior densidade deportadores de carga do tipo n, atribuída à substituição efetiva de íons In3+ por íons Sn4+ na redecristalina. Além disso, variações na pressão de vácuo durante o recozimento térmico levaram àformação de vacâncias de oxigênio, à remoção de oxigênio intersticial e à migração de defeitosdo tipo VO–Sn, processos essenciais para o aumento da condutividade do ITO. O incremento nadensidade de portadores de carga provocou um deslocamento do nível de Fermi acima da bandade condução, resultando em um óxido condutor transparente altamente degenerado. Esse efeitofoi acompanhado por um alargamento da banda proibida óptica, em concordância com o modelode Burstein-Moss. Esses resultados são consistentes com modelos computacionais baseados nateoria do funcional da densidade (DFT).Posteriormente, com a introdução de íons Fe em baixas concentrações (<4%), os filmes deITO preservaram sua estrutura cúbica do tipo bixbyita, apresentando boa solubilidade na redecristalina, conforme evidenciado por difração de raios X (DRX). A banda proibida óptica foireduzida devido ao surgimento de estados localizados associados ao Fe e a defeitos intrínsecosdentro da banda proibida. Portanto, a dopagem com Fe introduziu um grau adicional de liberdade,alterando as propriedades elétricas e provocando a coexistencia de ferromagnetismo fraco eparamagnetismo à temperatura ambiente. Essas propriedades mostraram forte dependênciana temperatura e atmosfera de tratamento térmico. Nesse contexto, tratamentos térmicos ematmosfera de ar facilitaram a difusão de oxigênio na superfície, reduzindo a magnetizaçãode saturação e afetando a condutividade elétrica. Em contraste, o recozimento em alto vácuopromoveu a geração de vacâncias de oxigênio, o que intensificou o ferromagnetismo à temperaturaambiente devido à formação de polarons magnéticos ligados. Além disso, análises de resistividadeem baixas temperaturas revelaram um comportamento anômalo da resistividade, causado pelainteração entre estados localizados do Fe e elétrons de condução. Adicionalmente, a presença deestados eletrônicos relacionados ao Fe influenciou as propriedades de detecção de gás metanoe a fotocorrente induzida por luz UV, melhorando significativamente sua sensibilidade. Esses resultados indicam que filmes de In2O3 codopados com Sn e Fe apresentam grande potencialpara uma ampla gama de aplicações tecnológicas.