Estudo das propriedades ópticas em filmes finos de BiVO4
Resumo
Neste trabalho foram investigadas as propriedades óticas em amostras semicondutoras de BiVO4, utilizando a técnica de fotoluminescência em baixas temperaturas, no intervalo de 16 K a 300 K. As soluções de vanadato de bismuto (BiVO4) foram preparadas através do método de decomposição orgânica em metal (MOD) e a deposição dos filmes finos foi feita pelo método de dip-coating. O processo de deposição foi repetido diversas vezes, obtendo dessa forma amostras com 5, 10, 15, 17, 20, 30 e 40 deposições. As amostras foram submetidas a um tratamento térmico em um forno a 350º C por 10 minutos, com o objetivo de alcançar a fase monoclínica do semicondutor. Amostras sem tratamento térmico também foram preparadas, obtendo-se dessa forma a fase tetragonal. Com a caracterização morfológica das amostras foi possível observar a presença de defeitos semelhantes a poros com diâmetro médio de aproximadamente 4 µm. Através das medidas de microscopia ótica realizadas no substrato, foi constatado que essas estruturas semelhantes a poros possivelmente foram induzidas pelo substrato. Medidas de MEV foram realizadas utilizando um microscópio eletrônico de varredura, onde foi possível observar aglomerados de nanopartículas com formas e tamanhos distintos, distribuídos de forma inomogênea e com tamanhos que variam de 0,03 µm até 0,15 µm. Medidas de perfilometria foram realizadas nas proximidades das bordas do filme. O comportamento da sonda pode ser dividido em 3 regiões. Através da extrapolação do comportamento dessas regiões foram determinadas as espessuras dos filmes. As espessuras dos filmes finos obtidas para as amostras com 1 (uma), 5 e 40 deposições de BiVO4 foram de aproximadamente 0,023 µm, 0,41 µm e 0,97 µm, respectivamente. Medidas de difração de raios – X foram realizadas a fim de determinar a estrutura cristalina presente nos filmes de vanadato de bismuto. Para a amostra com 20 deposições de BiVO4 apresentou picos de difração de Bragg relacionados a fase cristalográfica monoclínica, embora também foi observado a presença de um pico relacionado a fase tetragonal de baixa intensidade. Para as amostras com 15 e 17 deposições de BiVO4 foram obtidos resultados semelhantes. Medidas de fotoluminescência foram realizadas em uma amostra com 20 deposições consecutivas de BiVO4 em baixas temperaturas. A análise dos resultados dá indícios que os picos observados no espectro de fotoluminescência estão associados a uma recombinação radioativa de elétron e lacuna no filme de BiVO4. A largura da banda proibida encontrada na literatura para o BiVO4, com estrutura monoclínica, é de aproximadamente 2,4-2,5 eV. O pico de mais alta energia, em torno de 2,28 eV, é muito próximo do valor da banda proibida encontrado na literatura. As emissões de energias em torno de 1,65 eV e 1,68 eV ocorreram em temperaturas inferiores à 100 K e 50 K, respectivamente. Para temperaturas superiores a essas, a recombinação entre elétrons e lacunas dão origem a um fônon, sugerindo que a energia dos excitons seja dissipada na rede cristalina. Os picos de energias em torno de 3,2 eV, 3,3 eV e 3,35 eV, possuem energias superiores ao gap do semicondutor esperado para qualquer uma das estruturas cristalográficas do BiVO4. Os resultados obtidos nos levam a suposição que esses picos possam estar relacionados a presença de uma fase secundária formada por um composto diferente do vanadato de bismuto, sugerindo ser um óxido de bismuto provavelmente o BiOCOOH.