Filmes Finos de Óxido de Cobre Dopados com Prata Mostram Potencial

Filmes finos são camadas bem fininhas de material que têm várias utilizações por causa das suas propriedades melhoradas em comparação aos materiais em maior escala. Filmes finos de óxido de metal, em particular, estão ficando populares para várias aplicações, principalmente nas áreas que precisam de funções específicas. Eles podem ser do tipo n ou p, dependendo dos materiais e de como são feitos. O Óxido de cobre é um exemplo de óxido de metal do tipo p que é usado em coisas como células solares, sensores de gás e supercapacitores.

O cobre vem em duas formas: óxido de cobre (I) e óxido de cobre (II). O primeiro tipo se forma em temperaturas mais baixas, enquanto o segundo precisa de temperaturas mais altas para se desenvolver. Neste estudo, focamos em modificar as propriedades dos filmes finos de óxido de cobre adicionando prata. Isso foi feito usando uma técnica chamada Evaporação Térmica. Neste processo, o cobre é evaporado sobre uma superfície, e a prata é adicionada na mesma etapa. Depois, os filmes são aquecidos sob diferentes condições para formar o óxido de cobre. Comparamos as estruturas e funções dos filmes de óxido de cobre com e sem dopagem de prata que foram preparados da mesma forma. Esse método de evaporação térmica é fácil e pode ser usado para outros tipos de materiais também.

#Importância do Óxido de Cobre

O óxido de cobre é bem conhecido por várias razões. Primeiro, o cobre é encontrado abundantemente na natureza. Segundo, ele tem condutividade do tipo p, ou seja, consegue conduzir eletricidade bem. Terceiro, é fácil de fazer oxidando cobre. Quarto, tem boas Propriedades Ópticas e elétricas, e por último, é não tóxico. Existem diferentes maneiras de fazer filmes finos de óxido de cobre, incluindo a evaporação térmica, que usamos neste estudo.

Muitos estudos foram feitos para descobrir como os filmes finos de óxido de cobre se comportam. Quando o cobre puro é aquecido, ele forma diferentes óxidos dependendo da temperatura. O primeiro óxido, óxido cuproso (Cu O), começa a se formar em torno de 200-250°C, e tem uma faixa de energia específica que indica quanto de energia é necessário para os elétrons pularem para um estado de energia mais alto. O estado de valência mais alto, óxido cúprico (CuO), se forma acima de 300°C e tem uma faixa de energia diferente. Esses óxidos são úteis para várias aplicações como sensores de gás e células solares.

#Dopagem de Prata em Filmes de Óxido de Cobre

No nosso trabalho, adicionamos nanopartículas de prata a filmes de cobre sem quebrar o vácuo durante o processo. Usamos evaporação térmica para criar boas formas de filmes para estudar suas propriedades. Depois de depositar a prata, aquecemos as amostras para obter os óxidos. Observamos como a adição de prata mudou a estrutura e as propriedades dos filmes.

Nossas descobertas mostraram que as propriedades ópticas do óxido de cobre eram comparáveis a estudos anteriores. Outro pesquisador havia olhado para filmes de óxido de cobre dopados com prata, mas eles usaram um processo de aquecimento por micro-ondas. Notamos que a adição de prata afetou as Propriedades Elétricas, algo que não tinha sido relatado por outros antes. Nosso estudo também indicou como a resistência e a concentração de portadores mudaram com a dopagem de prata.

#Métodos e Materiais

Depositemos filmes finos de cobre em lâminas de vidro usando uma unidade de revestimento especial. Antes de começar, limpamos as lâminas para garantir que estavam livres de contaminantes. O processo de deposição ocorreu em alto vácuo, e monitoramos o quão grosso o filme ficou durante o processo. Depois de depositar o cobre, adicionamos uma camada de 1 nm de prata por cima sem quebrar o vácuo. Os filmes foram então aquecidos em várias temperaturas para ver como se comportariam em diferentes condições.

Para analisar os filmes, usamos várias técnicas, incluindo difração de raios X (XRD) para identificar as fases presentes, e espectroscopia para medir as propriedades ópticas. Também fizemos medições de transporte elétrico para entender como os filmes conduziam eletricidade.

#Resultados e Observações

#Caracterização Estrutural

Depois de aquecer as amostras, notamos que o filme que foi aquecido a 250°C era o mais claro e mostrava a melhor transparência. Temperaturas mais baixas, como 150°C, criaram filmes opacos, enquanto a temperatura mais alta de 450°C resultou em maior transparência em comparação com os filmes a 350°C.

Estudos de difração de raios X mostraram que a 150°C, os picos de cobre ainda estavam presentes, indicando que nem todo o cobre tinha oxidado naquela temperatura. À medida que a temperatura aumentava, vimos a formação de diferentes fases de óxido de cobre. Especialmente a 250°C, apareceram picos específicos indicando óxido cuproso, enquanto em temperaturas mais altas, observamos picos correspondentes ao óxido cúprico.

Por meio da microscopia eletrônica de varredura (SEM), estudamos a microestrutura dos filmes. A 150°C, tanto os filmes puros quanto os dopados com prata apresentaram uma superfície lisa com grãos finos. Conforme aumentávamos a temperatura, o tamanho dos grãos cresceu. Os filmes dopados com prata mantiveram uma superfície lisa, mas algumas fissuras começaram a aparecer na temperatura mais alta, indicando uma mudança na estrutura.

#Propriedades Ópticas

Focamos em como os filmes absorviam luz. Tanto os filmes não dopados quanto os dopados com prata mostraram alta absorção na região ultravioleta (UV) por causa da sua espessura. No entanto, os filmes dopados com prata absorveram mais luz na região azul, possivelmente devido às propriedades únicas da prata.

Calculamos a faixa de energia óptica para nossos filmes, que indica quanta energia é necessária para excitar os elétrons. O óxido de cobre não dopado mostrou uma faixa de energia direta, enquanto a versão dopada com prata teve uma faixa de energia ligeiramente maior. Isso sugere que a prata alterou as propriedades eletrônicas de uma forma que mudou como o material interage com a luz.

#Propriedades Elétricas

Medimos as características elétricas dos filmes finos para entender como conduziam eletricidade. Os filmes de óxido de cobre não dopados mostraram valores de resistência baixos tanto a 250°C quanto a 450°C. Em contraste, os filmes dopados com prata tiveram resistência mais alta, especialmente nas temperaturas mais altas.

Ao analisar como a resistência mudou com a temperatura, descobrimos que a resistência geralmente diminuía à medida que a temperatura aumentava para todos os filmes. No entanto, os filmes dopados com prata mostraram uma diminuição significativa a 250°C, sugerindo que poderiam ser úteis para aplicações de sensores de temperatura.

#Conclusão

Através dos nossos experimentos, descobrimos que os filmes finos de óxido de cobre com dopagem de prata mostraram mudanças interessantes em suas propriedades. Os filmes tratados a 250°C mostraram a melhor transparência e características estruturais. Os resultados de XRD e espectroscopia confirmaram a presença de diferentes fases de óxido de cobre dependendo da temperatura de tratamento.

A dopagem de prata levou a um aumento na faixa de energia óptica e alterou as características elétricas, tornando os filmes potencialmente úteis para várias aplicações. Esses achados podem ajudar no desenvolvimento de novos materiais para eletrônicos, sensores e outras tecnologias.

Resumindo, filmes finos de óxido de cobre dopados com prata apresentam propriedades úteis que os tornam adequados para várias aplicações. Pesquisas futuras poderiam levar a ainda mais insights de como esses materiais podem ser utilizados em tecnologias do futuro.