Nano avançado

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6518 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Devido ao grande número de aplicações industriais de óxidos condutores transparentes (TCOs), este estudo se concentra em um dos óxidos metálicos mais importantes. O método RF-magnetron sputtering foi usado para fabricar filmes finos de NiO em substratos de quartzo e silício à temperatura ambiente sob fluxo de argônio e oxigênio. As amostras pulverizadas foram recozidas em atmosfera de N2 a 400, 500 e 600 °C por 2 horas. Usando as micrografias AFM e o software WSXM 4.0, os parâmetros básicos da superfície, incluindo rugosidade quadrática média, rugosidade média, curtose, assimetria, etc., foram calculados. Parâmetros avançados de superfície foram obtidos pela entropia de Shannon através de um algoritmo desenvolvido, e a densidade espectral de potência e succolaridade fractal foram extraídas por métodos relacionados. As propriedades ópticas foram estudadas usando um espectro de transmitância para obter o bandgap óptico, coeficiente de absorção, energia de Urbach e outros parâmetros ópticos. As propriedades de fotoluminescência também mostraram resultados interessantes de acordo com as propriedades ópticas. Finalmente, caracterizações elétricas e medições I-V do dispositivo de heterojunção NiO/Si demonstraram que ele pode ser usado como um bom dispositivo de diodo.

Como um óxido de metais com alta densidade de portadores livres, excelente condutividade elétrica e alta transmitância óptica no espectro UV-VIS-NIR são introduzidos óxidos condutores transparentes (TCOs)1. Eles têm muitas aplicações dependendo de seus valores de condutividade elétrica. Atualmente, os TCOs mais amplamente estudados e usados ​​comercialmente são ITO (Sn:In2O3), FTO (F:SnO2) e materiais à base de ZnO2, todos com condutividade do tipo n. Devido ao uso generalizado de TCOs na fabricação de junções pn transparentes e em células solares orgânicas, estudar seu tipo p é muito importante3.

Entre os materiais semicondutores do tipo p que são importantes tecnologicamente com a energia especial da banda proibida na faixa de 3,6–4 eV, o óxido de níquel (NiO) deve ser considerado em particular4,5,6, os TCOs do tipo p são muito importantes e o NiO fino filmes por causa de características específicas como estabilidade superior atraíram muita atenção recentemente. Eles têm sido usados ​​como material antiferromagnético7, material para dispositivos eletrocrômicos8, dispositivos fotovoltaicos, supercapacitores eletroquímicos, refletores de calor, células fotoeletroquímicas, células solares e muitos dispositivos optoeletrônicos9 e material de camada funcional para sensores químicos10.

As propriedades das nanopartículas e filmes finos apresentam características muito interessantes em comparação com as propriedades do material a granel11. Portanto, várias técnicas têm sido usadas especialmente para a síntese de filmes finos e nanoestruturas de NiO, como spray pyrolysis12, deposição química de vapor aprimorada por plasma13 e sputtering reativo10. Dentre eles, o sputtering reativo tem sido o mais utilizado. A pulverização catódica reativa de magnetron de RF, entre vários métodos, é um processo simples14, mas um método altamente eficaz para preparar filmes finos de NiO devido à sua controlabilidade mais fácil de vários parâmetros, como potência15, pressão parcial de oxigênio16 e temperatura do substrato17. O filme fino de NiO pode ser preparado em várias formas, como nanofios e nanofibras18, nanotubos19, hemisférios ocos20, nanoflores21, estruturas semelhantes a cactos22 e nanofolhas23.

Em geral, nos estudos envolvendo a morfologia de superfícies, a microscopia de força atômica (AFM) está presente, pois permite avaliar propriedades físicas, com alta precisão, de superfícies para aplicações tecnológicas. Assim, devido à sua sensibilidade e precisão, a técnica AFM fornece estudos morfológicos por meio dos mapas topográficos que a varredura gera, fornecendo diversos parâmetros morfológicos24,25,26 e densidade de espectro de potência (PSD)26, facilitando a caracterização de superfícies em micro ou nanoescala. O estudo da distribuição de alturas topográficas e sua complexidade espacial em superfícies de interesse tecnológico tem fornecido grande suporte na otimização e fabricação de superfícies com propriedades físicas melhoradas, por exemplo, fricção, adesão, molhabilidade, porosidade superficial, etc. otimização do processo de fabricação de filmes finos e têm sido amplamente utilizados no estudo da superfície de filmes finos de interesse tecnológico. Em nosso manuscrito, foi observado que a diminuição do tamanho do cristalito gera superfícies mais rugosas, porém com padrões espaciais mais homogêneos, indicando correlações de longo alcance. Este fato é importante porque outros trabalhos mostraram que superfícies com padrões espaciais com distribuição mais homogênea são menos propensas a falhas, por exemplo, desgaste e trincas. Além disso, verificou-se, por meio de parâmetros fractais e fractais avançados, que as superfícies mais rugosas apresentam padrões espaciais mais uniformes e percolação superficial aproximadamente ideal, confirmando o aumento da homogeneidade topográfica conforme o aumento da temperatura de recozimento.