Electrical transport Properties and photoconductivity effect on epitaxial PbTe:CaF2 films

W. P. do Prado, A. K. Okasaki, L. M. B. Vargas, S. de Castro, P. H. O. Rappl, R. Abramof, M. L. Peres.

(a) Instituto de Física e Química, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá - MG, CEP 37500-903, Brasil

(b) Brazilian Nanotechnology National Laboratory, Campinas - 13083-970 - São Paulo, Brazil (CNPEM)

(c) Grupo de Pesquisa e Desenvolvimento em Materiais e Plasma, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos–SP, CEP 12227-010, Brasil

In this work, we investigated the photoconductivity effect in undoped PbTe and doped PbTe:CaF2 samples and found that the doping with CaF2 alters significantly the photoconductivity behavior as the temperature varies from 300 K down to 1.9 K. Samples were grown using the molecular beam epitaxy (MBE), allowing high crystalline quality of the samples. We found that the persistent photoconductivity effect presented at room temperature in both samples is absent in the doped sample at low temperatures. Also, the two samples presented a considerable increase in the photoconductivity amplitude below 100 K, where the increase exhibited by the doped sample was more drastic. Unexpectedly, in case of the undoped sample, the increase is a result of the enhancement of the carrier concentration, while for the doped sample, the increase is originated from the rapid increase of the carrier mobility. We hope these findings shed some light in the mechanism responsible for the photoconductivity in PbTe:CaF2 samples and helps to develop light sensors that operate in a wide range of temperatures.

ESTUDO E CARACTERIZAÇÃO DA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA ENTRE MOLÉCULAS ORGÂNICAS

Isadora Krystine Martins Santos Rocha (1) (IC),  Roberto Shigueru Nobuyasu Júnior1 (PQ)

(1) Universidade Federal de Itajubá

O uso de semicondutores orgânicos na produção de equipamentos eletrônicos vem crescendo substancialmente na indústria, esses materiais se destacam por possuírem baixo custo de produção e serem independentes de condições geográficas e mineração. Os semicondutores orgânicos são compostos de moléculas orgânicas conjugadas formadas, principalmente, por cadeias de carbono.

Nesta pesquisa foram trabalhados três compostos diferentes que possuem características comuns em suas estruturas, um monômero (molécula pequena), o MS019, um polímero (macromolécula formada pela repetição de um monômero), o MS065, e um copolímero (macromolécula formada pela repetição de monômeros diferentes), o MS072. Estes materiais possuem características ópticas diferentes entre si apesar da semelhança nas cadeias, o MS019 apresenta seu pico de emissão na região de 400−450 nm, apresentando um gap óptico maior do que o apresentado pelas outras duas moléculas, MS065 e MS072, ambas possuindo seu pico emissão na região de 600 nm, com a curva de emissão do MS072 sendo um pouco deslocada para a esquerda em relação à curva apresentada pelo MS065.

A partir destas características, foi possível trabalhar com o conceito de transferência ressonante de energia entre a molécula de gap óptico maior, chamada de doadora, e as moléculas de gap óptico menor, aceitante. Criando-se blendas (mistura) do material doador (MS019) com um material aceitante (MS065 ou MS072), sendo feitas duas, uma para cada aceitante, ao excitá-las com uma fonte de luz, o material doador, ao absorver a energia, em vez de emitir via fluorescência, sua energia seria transferida para o aceitante, aumentando, então, a eficiência de emissão do material de gap menor.

Com base nos resultados obtidos na pesquisa, pôde-se observar que o processo de transferência ressonante de energia acontece de uma maneira mais efetiva na blenda do MS019 com MS072. Nela é visível o aumento efetivo na intensidade da emissão sem haver perda de energia significativa por fenômenos não radiativos, como através de vibrações por influências térmicas, e não possuindo falhas no processo de transferência de energia como acontece na blenda com o MS065, onde, em baixas temperaturas, o doador acaba por emitir fótons via fluorescência em vez de transferir a energia absorvida para o aceitante.

Programa: PIBIC IFQ/UNIFEI

Palavras-chave: Espectroscopia. Fluorescência. Semicondutores orgânicos. Transferência ressonante de energia.

Caracterização fotofísica de uma molécula puramente orgânica que exibe Fluorescência Atrasada Ativada Termicamente (TADF)

Carlos A. S. Leão¹, Henrique de Freitas Serra¹, Fernando B. Dias², Zhongjie Ren³, Roberto S. Nobuyasu¹

1 – Laboratório de Fotofísica Molecular – IFQ, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 37500-903, Brazil.

2 Organic Electroactive Materials, Durham University, Durham, DH1 3LE, UK

3 College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical

Technology, Beijing, China

E-mail: carlosleao2018@unifei.edu.br

Resumo: A Fluorescência Atrasada Ativada Termicamente (TADF), é um processo fotofísico onde o cruzamento intersistemas permite que a conversão dos elétrons nos estados tripletos, não radiantes, para os estados singletos, radiantes. Devido a minimização da diferença de energia, Δ𝐸𝑆𝑇, entre o estado singleto e o estado tripleto, moleculares, onde ela é reduzida a um nível comparável à escala de energia térmica, 𝐾𝐵𝑇 [1],[2]. As investigações experimentais compreendem medidas fotofísicas em estado estacionário e resolvidas no tempo, realizadas tanto em soluções quanto no estado sólido, incorporadas em uma matriz inerte. Os experimentos acima foram conduzidos em função da temperatura, o que permite ver claramente o efeito térmico sobre a fluorescência atrasada, revelando toda a dinâmica dos estados, tripletos e singletos. E por fim foi medido o rendimento quântico de fotoluminescência.

Agradecimentos:

Projeto: FAPEMIG APQ-00052-21 e UNIFEI-PIDI262-2022.

CAPES, Programa de Pós-graduação em Física da Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI

Referências Bibliográficas:

[1] Ward, J. S. et al. The interplay of thermally activated delayed fluorescence (TADF) nd room temperature organic phosphorescence in sterically-constrained donor–acceptor charge-transfer molecules. Chem. Commun. 52, 3–6 (2016).

[2] Nobuyasu, R. S. et al. Rational Design of TADF Polymers Using a Donor – Acceptor Monomer with Enhanced TADF Effi ciency Induced by the Energy Alignment of Charge Transfer and Local Triplet Excited States. 1–11 (2016). doi:10.1002/adom.201500689

Characterising Organic Molecules for Fluorescence Probe 

José Otavio Rosa(1) , Carlos A. da Silva Leão(1) , Cynthia Nathalia Pereira(1) , Mauricio S. dos Santos(1) , Roberto S. Nobuyasu Jr(1) . 

(1) Instituto de Física e Química, Universidade Federal de Itajubá 

A series of organic semiconductor molecules based on 7-aril-2,7-di-hidro-3Himidazo [1,2-c]pirazolo [4,3-e]pirimidynes, were synthetized, their structural features are distinguished by the substituents in the positions ortho, meta and para. The photophysics analyzes consists of measurements of absorption and emission in solution and thin-films. The experimental data allowed to understand how its properties change with the substituents. The quantum efficiency of photoluminescence (PLQY) has been determined, revealing relatively low values. This observation can be attributed to the molecular structure, which promotes energy dissipation due to molecular vibrations. As part of an ongoing research effort, promising studies are being conducted to continue this investigation. In these studies, different salts are being incorporated to assess their impact on the photoluminescence of the materials in question. It has been observed that the molecules exhibit remarkable selectivity towards the various salts used, opening up interesting prospects for practical applications, such as sensor development, for example 

DESENVOLVIMENTO DE UM APARATO DE REVESTIMENTO POR SPRAY PARA DEPOSICÃO DE FILMES FOTOCATALÍTICOS DE TIO2 USANDO MICELAS REVERSAS E SUA CARACTERIZACÃO DETALHADA

JHB Pinton, Adhimar de Oliveira - Universidade Federal de Itajubá

Em resposta á poluição ambiental e à escassez de energia, os fotocatalisadores à base de dióxido de titânio (TiO2) ganharam ampla utilização na fotocatálise como uma tecnologia eficiente para remoção de poluição e produção de combustível. Esses fotocatalisadores são comumente preparados como revestimentos para aprimorar aplicações práticas, permitindo a separação do catalisador de corpos d’´agua e melhorando a estabilidade fotocatalítica. Várias técnicas de deposiçãao, incluindo Deposição Química de Vapor (CVD), Deposição Física de Vapor (PVD), sputtering e Epitaxia por Feixe Molecular (MBE), são utilizadas para depositar revestimentos fotocatalíticos heterogêneos `a base de TiO2 em substratos de vidro. Entre essas técnicas, a técnica de revestimento por spray demonstrou ser eficaz em termos de custo e resultados promissores. O que torna interessante o desenvolvimento de um aparato para depositar uma solução sol-gel usando micelas reversas por meio da técnica de revestimento por spray. O equipamento foi construído e automatizado utilizando materiais econômicos.  As amostras preparadas estavam na forma de pó e filmes finos em substratos de vidro e passaram por caracterização por Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X (EDS), Difração de Raios-X (XRD), Espectroscopia UVVisível (UV-vis) e Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). Os resultados indicam que o filme possui uma estrutura cristalina semelhante a anatase, com uma espessura de aproximadamente 700 nm e uma superfície homogênea.

MOLÉCULAS ORGÂNICAS QUE APRESENTAM FENÔMENOS DE

FOSFORECÊNCIA À TEMPERATURA AMBIENTE (RTP) E ALTA

EFICIÊNCIA DE FOTOLUMINESCÊNCIA, ESTUDO FOTOFÍSICO

Rita de Cássia Barbosa (1), Laís Gonçalves de Abreu (1), Magne Olav Sydnes (2) e Roberto Shigueru Nobuyasu Junior (1)

(1) Universidade Federal de Itajubá, Itajubá-MG, Brasil

(2)  Universidade de Stavanger, Noruega

E-mail: d2022103296@unifei.edu.br

1 Resumo

O objetivo desta pesquisa é investigar e esclarecer os comportamentos fotofísicos de uma série de moléculas puramente orgânicas que exibem fosforescência à temperatura ambiente (RTP) e alta eficiência de fotoluminescência, em função da variação da posição e do grupo funcional, em relação ao cromóforo principal. Ambos os fenômenos são altamente desejáveis, sendo o RTP utilizado em grupos funcionais de moléculas doadora-aceitadora, em bioimagem e o alto PLQY utilizado como hiperfluorescência na camada ativa de  dispositivos. Os experimentos conduzidos afim de caracterizar as propriedades de fotoluminescência  molecular, levam em consideração o ambiente, o alinhamento entre os estados singleto e tripleto, os estados de transferência de carga.

2 Agradecimentos

CAPES, PGF-UNIFEI, FAPEMIG Projeto: APQ-00052-21 e APQ-04537-22 e IFQ-UNIFEI.

3 Referências

[1] Ward, J. S.; Nobuyasu, R. S.; Batsanov, A. S.; Data, P.; Monkman, A. P.; Dias, F. B.; Bryce, M. R. Chem. Commun. 52, 2612-2615 (2016).

[2] Chan, CY., Tanaka, M., Lee, YT., Wong YW., Nakanotani H., Hatakeyama T., Adachi C., Nature Photonics 15, 203–207 (2021).

Investigações do efeito de fotocondutividade em filmes de Pb0,5Sn0,5Te dopados com bismuto

A. S. Pires, M. J. da Silva (a), W. P. do Prado (a),  B. A. Kawata (b), L. M. B. Vargas (a), S.

de Castro (a), P. H. O. Rappl (b), E. Abramof (b), M. L. Peres.

(a) Instituto de Física e Química, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá - MG, CEP37500-903, Brasil

(b) Grupo de Pesquisa e Desenvolvimento em Materiais e Plasma, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos–SP, CEP 12227-010, Brasil

Neste trabalho, investigamos o efeito de fotocondutividade em filmes de Pb0.,5Sn0,5Te não dopados e dopados com diferentes concentrações de bismuto (Bi). Também foramrealizadas medições de efeito Hall, com e sem iluminação, para a obtenção da concentração e mobilidade dos portadores. Os filmes foram crescidos sob substrato de fluoreto de bário utilizando a técnica de epitaxia por feixe molecular. Os resultados mostram que todas as amostras exibem fotocondutividade negativa com um LED azul na faixa de temperatura entre 77 K e 300 K. Foi observado que a temperatura e a dopagem com bismuto alteram a amplitude da fotocondução. Ademais, observou-se que a dopagem extrínseca com bismuto diminui a concentração de buracos e, a partir de uma faixa de concentração de Bi entre 0,06% e 0,07%, a concentração de elétrons prevalece, evidenciando uma transição do material de tipo-p para tipo-n. Atualmente, os filmes de Pb0.,5Sn0,5Te possuem aplicação na construção de sensores na faixa do infravermelho, à temperaturas de 77 K, porém, com a dopagem utilizando bismuto, pode-se estender sua aplicação para a criação de uma nova classe de sensores na região do azul no espectroeletromagnético em uma faixa de temperatura mais elevada.

Fast and broadband photoresponse in CdO thin film

L. M. B. Vargas (a), M. J. da Silva (a), S. de Castro (a), A. L. C. Silva (b),  A. B. Paiva (b), M. D. Teodoro (b), M. P. F. de Godoy (b), D. A. W. Soares (a),  M. L. Peres (a),

(a) Instituto de Física e Química, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, MG, CEP 37500-903, Brazil

(b) Departamento de Física, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, SP, CEP 13565-905, Brazil

Thermal annealing is recognized as an effective tool to manage the structural and electronic properties of oxide thin films. Combined with the atmospheric environment control, additional issues concerning surface effects act to change the performance of oxides for photodetectors purposes. The present investigation systematically studies morphological and optical properties and electrical transport of CdO thin films using an as-grown reference and annealed samples at 500 °C under O2 and N2 atmospheres. As-grown CdO presents fast and high photoresponses in a wide range of the visible spectrum, with an amplitude that reaches nearly 3000%. In addition, a transition from negative to positive photoresistance was observed for temperatures below 230 K. From the analysis of the photoluminescence spectra, we noted two activation energies for as-grown CdO, whereas annealed samples presented only one. Therefore, the additional defect level, reduced after annealing, is responsible for the huge amplitude as well as the negative to positive transition in the photoresistance of as-grown CdO film.

Fotocondução em poços quânticos de PbTe para desenvolvimento de sensores de luz em ampla faixa do espectro

Ana Carolina de Souza Silva (a), Crislaine de Paula Agostinho (a), Luis Miguel Bolanos da Fonseca (a), Marcelos Lima Peres (a), Matheus José da Silva (a), Suelen de Castro (a),  P. H. de O. Rappl,  (b) E. Abramof (b)

Instituto de Física e Química, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá - MG, CEP 37500-903, Brasil

Grupo de Pesquisa e Desenvolvimento em Materiais e Plasma, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos–SP, CEP 12227-010, Brasil

Neste estudo, apresentamos os resultados de medições de fotocondução realizadas em poços quânticos de PbTe, crescidos por epitaxia de feixe molecular, para detecção de luz. Durante o processo as amostras foram submetidas a testes intermitentes com intervalos de tempo iguais fazendo a cinética com LED -ligado e desligado- em cada faixa do espectro que abrange desde o infravermelho ao ultravioleta. Os resultados revelam que as amostras, variando em espessura, exibem sensibilidade à ampla faixa espectral de luz mesmo em temperatura ambiente. A alta qualidade cristalina das amostras e seu desempenho elétrico sólido contribuem para a obtenção de sinais de baixo ruído. Além disso, constatamos que os efeitos observados são consistentes e reprodutíveis, estabelecendo assim uma base sólida para a aplicação desses materiais como promissores detectores de luz em diversos contextos.

Phase coherence length in polycrystalline CdO films on different substrates

*L. M. B. Vargas1, K. Bolaños1, M. J. da Silva1, S. de Castro1, M. L. Peres1, M. P. F. de Godoy2

1Instituto de Física e Química, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá - MG, CEP 37500- 903, Brazil

2Departamento de Física, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, São Paulo, 13565-905, Brazil

In this work, we investigated CdO films grown using the spray pyrolysis technique on different substrates: glass and silicon. To analyze the two films, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Hall effect and magnetotransport measurements were used. XRD measurements provided the crystallinity of the films, the degree of disorder and the phases present. Using SEM images, the roughness of the films was analyzed. Electrical mobility was investigated with hall effect measurements and magnetotransport measurements were used to study the effect of metal-insulator transition and weak localization. Using Kawabata 3D model to fit the magnetoresistance curves, the phase coherence length parameter, 𝑙∅, was obtained, which allowed finding the dominant scattering mechanism. The most promising results were from the film grown on silicon, which showed high mobility (0,4 m2/Vs) compared to those found in the literature (22×10-4m2/Vs [1]) and phase coherence length 𝑙∅=175 𝑛𝑚 at 1.9 K. This opens the possibility of developing devices for information transport using low-cost substrate and growth technique [2].

Reference:

[1] R. A. Ismail and O. A. Abdulrazaq, “A new route for fabricating CdO/c-Si heterojunction solar cells,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 91, no. 10, pp. 903–907, 2007, doi: 10.1016/j.solmat.2007.02.006.

[2] L. M. B. Vargas, K. Bolaños, M. J. Da Silva, S. De Castro, M. L. Peres, and M. P. F. De Godoy, “Weak localization effect in Zn1- xCdxO/CdO heterostructures,” J. Appl. Phys., vol. 133, no. 2, 2023, doi: 10.1063/5.0122729.

Materiais para Spintrônica

L. T. T. Garófalo, A. Pires, S. de Castro, M. L. Peres

Instituto de Física e Química, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá MG, CEP

37500-903, Brasil

O spin do elétron está associado ao seu momento angular e às suas características magnéticas sendo uma propriedade quântica. A utilização de spins eletrônicos para transporte de informação deram origem a uma área de pesquisa conhecida como spintrônica. Esta nova área de investigação visa substituir as correntes elétricas tradicionais por correntes de spin para melhorar o armazenamento e o processamento de informações. Com o passar dos anos os transistores estão atingindo seus limites. Quando compramos um computador, existem em média 20 bilhões de transistores por chip, atingindo o limite quântico em cerca de 30 nm assim acarretando a dissipação de energia, ou seja, se muitos transistores forem colocados em uma polegada, ele aquecerá. Os limites de armazenamento de dados não estão suportando a demanda atual, por exemplo um disco rígido, podemos armazenar 500 GB/polegada, o que significa que cada bit nesse disco tem cerca de 20 nm. É necessário considerar alternativas como a spintrônica. Um dispositivo spintrônico não sofreria aquecimento, teria alta velocidade de processamento de informações, e não precisaria de grandes quantidades de corrente elétrica para o transporte, bastante somente poucos elétrons com orientações de spins diferentes. Neste trabalho, será dada uma visão geral de como a spintrônica pode revolucionar o transporte e armazenamento de informações, e serão dados alguns exemplos de materiais que estão sendo atualmente investigados pelo nosso grupo de pesquisa.

Efeito de memória resistiva em filme fino de ZnO dopado com Na

Ana Luiza Costa Silva (1), Marcio Peron Franco de Godoy(1)

(1) Departamento de Física – Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), São Carlos – SP

A memória resistiva está associada à capacidade que um dispositivo tem de reter seu último estado de medida mesmo após a retirada de um estímulo elétrico, indicando a habilidade de armazenar, acessar e retomar uma informação previamente conhecida. Alguns óxidos semicondutores se destacam por exibirem efeito memristivo quando submetidos a pulsos periódicos de corrente-tensão. Neste trabalho investigamos o efeito de memória resistiva em um filme fino de óxido zinco dopado com sódio (ZnO:Na) através de uma varredura cíclica de I–V. A amostra preparada pela técnica de spray pirólise é policristalina e exibe estrutura hexagonal wurtzita sem a presença de fase secundária. Tal resultado indica a incorporação do dopante na rede cristalina do ZnO, sendo corroborado através da análise química da superfície – XPS. A amostra ZnO:Na exibe também uma alta transparência na região do visível e uma elevada densidade de vacâncias de oxigênio (VO) na superfície do filme em comparação com a amostra referência de ZnO não dopada. Nota-se que, sob determinadas condições, as varreduras elétricas (I–V) ilustram um comportamento memristivo do material. Esse comportamento é observado quando o período de varredura é sintonizado apropriadamente. Diferentemente do convencional, as histereses mensuradas revelam cruzamentos fora da origem, indicando a presença de múltiplos cruzamentos para determinados períodos de varreduras. Além dos defeitos estruturais do composto, a interação com moléculas presentes na atmosfera atua diretamente nos efeitos de memória resistiva de óxidos semicondutores. Portanto, este trabalho visa também analisar a influência da atmosfera no efeito de memória resistiva sendo conduzida em condições atmosféricas de vácuo, oxigênio (O2), dióxido de carbono (CO2), atmosfera seca (ar sintético) e atmosfera saturada em água. Os resultados encontrados apontam que o comportamento memristivo observado para a amostra ZnO:Na é fortemente dependente da superfície do filme e não propriamente ao bulk. Os processos de condução são elucidados por meio de reações redox, que ocorrem através da adsorção ou ligação de moléculas aos sítios ativos na superfície do filme.

Effect of Temperature and Synthesis Parameters on Crystallinity and Optical Emissions of ZnO:Eu Thin Films

Camila Ianhez-Pereira, Ariano De Giovanni Rodrigues and Marcio Peron Franco de Godoy

Federal University of São Carlos, Physics Department, Brazil

This study investigates the correlations between the optical emission of the rare earth (RE) Eu3+ and the structural conditions of ZnO thin films, wherein this ion is incorporated as dopant. ZnO is a wide-gap semiconductor and its crystal structure with tetrahedral coordination makes it an excellent candidate for RE doping. We demonstrate that the key factor in managing material crystallinity lies in controlling precursor dilution, defined by the solution molarity (M) in the Spray-Pyrolysis technique. X-Ray Diffraction (XRD) results reveal that utilizing lower molarity yields a film with a highly texturized c-axis orientation and two times larger crystallites when compared to the use of a higher molarity solution. This condition also enables the synthesis of transparent films, while the higher molarity results in a material with an opaque powder-like appearance, which also can be seen in the Scanning Electron Microscopy (SEM) images. SEM shows that both films are approximately 1μm thick. Only for the film with reduced crystallinity the photoluminescence spectroscopy measurements exhibit intense and well-defined peaks splittings and temperature measurements indicate a possible energy transfer between the ZnO host and the Eu3+ ions. This result is very relevant given that the TR emission becomes more intense as temperature increases, which is different from what is expected from the literature. Thus, these experimental findings offer novel evidence regarding the influence of lattice crystallinity on the tuning of RE optical emissions in wide-gap materials. Moreover, the precise adjustment of a synthesis parameter enables control over the conditions of crystallinity and the chemical environment, facilitating the desired tuning of these optical emissions.