Estudio de propiedades eléctricas y ópticas de recubrimientos nano-estructuradas de bismuto y oxido de bismuto

Abstract

El bismuto es un material semi metal que presenta características particulares, como son el hecho de la diferencia que puede haber entre las propiedades de la superficie y el volumen del material: las superficies son metales mejores que el volumen, debido a la existencia de estados electrónicos superficiales que se cruzan con el nivel de Fermi. Por otro lado, el óxido de bismuto ha sido investigado extensivamente debido a sus propiedades ópticas y eléctricas tales como, un gran gap de energía, índice de refracción, permitividad dieléctrica, así como una fotoconductividad y fotoluminiscencia notable. Es por esto, que el estudio de estos materiales a nivel nanométrico es de gran interés. En este trabajo se estudiaron la estructura, morfología, propiedades eléctricas y ópticas de películas nanoestructuradas de bismuto y óxido de bismuto depositadas por la técnica de “sputtering” con magnetrón desbalanceado y con un espesor de aproximadamente 200 nm. El análisis microestructural se hizo por medio de difracción de rayos X (XRD - X Ray Diffraction) y microscopía electrónica de barrido (SEM - Scanning Electron Microscopy). Las propiedades ópticas se evaluaron con el registro de su espectro de transmisión con la técnica de espectroscopía UV – Vis/NIR y para las propiedades eléctricas se utilizó un equipo de FPP (Four Point Probe) y PPMS (Physical Property Measurement System). Debido a la presencia de varios trabajos en los cuales se estudia el óxido de bismuto crecido por tratamiento térmico de películas delgadas de bismuto, se oxidaron térmicamente unas películas de bismuto y se estudiaron sus propiedades estructurales y ópticas. De los resultados se concluye que las películas depositadas por “sputtering” tanto de bismuto como de óxido de bismuto y las tratadas térmicamente son cristalinas. La fase del óxido de bismuto obtenido térmicamente difiere del depositado por “sputtering” reactivo. También se obtiene que bajo estas condiciones de deposición se mejoró la conductividad de las películas de bismuto comparadas con las obtenidas en trabajos previos. Sin embargo, su conductividad es un poco menor a la obtenida para el óxido depositadas por pulverización catódica; las películas tratadas térmicamente presentan un comportamiento aislante. Las energías del “band gap” y las energías de activación confirman este resultado. Finalmente, las películas presentaron una baja transmitancia y absorbancia lo que dificultó el cálculo del índice de refracción.

Abstract. Bismuth is a semimetal material with particular features like being a great example of the difference that can exist between the surface properties and the material volume: surfaces are metals better than volume due to the existence of superficial electronic states which cross Fermi Level. Additionally, bismuth oxide has been broadly researched for its optical and electrical properties such a great energy gap, refractive index, dielectric permissiveness as well as notable photoconductivity and photoluminescence. This paper studied the structure, morphology, optical and electrical properties of bismuth and bismuth oxide nanostructured films deposited by unbalanced magnetron sputtering technique with a thickness of 200 nm. The microstructural analysis was made through XRD - X ray diffraction and SEM - scanning electron microscopy. The optical properties were evaluated with the register of its transmission spectrum through UV - VIS / NIR spectroscopy and the electrical properties with FPP – Four Point Probe and PPMS - physical property measurement system. Due to the presence of several works studying bismuth oxide grown by thin bismuth films thermal treatment, some bismuth films were thermally oxidized and their structural and optical properties were studied. The results lead to conclude that both bismuth films and oxide bismuth films deposited by sputtering and those thermally treated are crystalline. The phase of bismuth oxide thermally obtained is different from that deposited by reactive sputtering. It was also found that under these deposition conditions, bismuth film conductivity -compared to that obtained in previous works – improved. However, this conductivity is lower than that obtained for the oxide deposited by cathodic pulverization. Films thermally treated show an insulating behavior. Band gaps and activation energies confirm this result. Finally, films showed a low transmittance and absorbance, which made the refraction index estimation difficult.