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Monografia

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Monografia para a qualificação, como pré requisito para o título de doutor em física da Universidade Federal de São Carlos - UFSCar

Monografia para a qualificação, como pré requisito para o título de doutor em física da Universidade Federal de São Carlos - UFSCar

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  • 1. Cleber Alexandre de AmorimTransport properties in C60 Field-Effect Transistor with a single Schottky barrier São Carlos - SP, Brasil 13/10/2011
  • 2. Sumário1 Introdução p. 22 Contato Metal-Semicondutor p. 5 2.1 Formação da barreira Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 5 2.2 Emissão termiônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 7 2.3 Resultados de Yohei Ohta e col. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 113 Considerações Finais p. 14Referências p. 15
  • 3. 21 Introdução Dispositivos baseados em filmes finos orgânicos são de grande interesse para aplicaçõesna eletrônica, como diodos emissores de luz, células solares e transistores de efeito de campo[1]. Os primeiros experimentos envolvendo dispositivos orgânicos foram realizados em 1977 porShirakawa e col. [2], onde a condutividade eletrônica do poliacetileno dopado com halogêniosforam demonstrados. Desde então materiais orgânicos conjugados vêm recebendo grande atenção.Os dispositivos orgânicos de maiores destaque são os diodos emissores de luz orgânicos (OLED,organic light emitting diodes) e os transistores de efeito de campo orgânicos (OFET, organicfield-effect transistor ), além de diodos retificadores de corrente elétrica, fotodiodos e lasers.Materiais orgânicos conjugados apresentam características eletrônicas semicondutoras além demanterem propriedades de boa resistência a choques mecânicos e alta flexibilidade, podendo serutilizados em superfícies dobráveis, como embalagens e cartões magnéticos, além de possuiremcaracterísticas de solubilidade e baixo custo de preparação [1]. Materiais orgânicos conjugados são aqueles que apresentam alternância de ligações químicassimples (σ) e duplas (σ e π) ao longo da cadeia, sendo a ligação σ responsável pelas propriedadesque podem fazer destes materiais candidatos a aplicações em optoeletrônica. Materiais orgânicosconjugados que possuem cadeia bastante longa apresentam os orbitais ligantes (σ) e os antiligante(σ ∗ ) que dão origens as bandas de energia, sendo que a primeira delas possui todos os estadoseletrônicos ocupados e a segunda, todos os estados eletrônicamente desocupados. Tais bandasrecebem o nome de HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital ) e LUMO (Lowest UnoccupiedMolecular Orbital ) que correspondem aos limites das bandas de valência e condução. A diferençaentre a energia do nível LUMO e a energia do nível HOMO é chamada de gap de energia,similarmente aos semicondutores inorgânicos [1]. Um dos dispositivos de maior importância para a eletrônica é o transistor de efeito de campo(FET, field effect transistor ), o FET é um dispositivo de três terminais, sendo dois terminais,fonte (source) e dreno (drain) ligados diretamente ao canal do FET, região responsável pelapassagens dos portadores de carga. O terceiro terminal, denominado porta (gate), funcionacomo controle de portadores através do canal atuando por uma camada isolante. Tal controle érealizado através de efeito de campo elétrico, onde o campo elétrico vai estrangulando o canal dotransistor fazendo que a cada momento o número de portadores que atravessam o canal é reduzidoaté cessar a passagem de portadores pelo canal fazendo com que a corrente elétrica atinja umvalor limite, corrente de saturação. As caracterísitcas que faz do FET muito importante para aeletrônica é que podem ser controlados por tensão, possuem alta impedância de entrada, e baixa
  • 4. 1 Introdução 3impedância de saída e são utilizados como chaves em um circuito elétrico. Tais características eaplicações dos FETs chamam a atenção para sua utilização no desenvolvimento de novos materiaise seu comportamento modificando o material utilizado como canal o que levou ao desenvolvimentode transistores a base de filmes orgânicos. Por mais de duas décadas transistores de filmes finos orgânicos (OTFTs, organic thin-filmtransistors) fabricados a base de polímeros conjugados, oligômeros, ou outras moléculas têm sidoprevisto como fortes candidatos a substituir os tradicionais transistores de filmes finos baseadosem materiais inorgânicos. Tal possibilidade somente é possível devido a baixa mobilidade dessesmateriais, os OTFTs atualmente não podem ter um rendimento similar ao transistores de efeitode campo feitos com semicondutores inorgânicos monocristalino, tal como Si e Ge, o qualpossuem mobilidade em torno de três ordens de grandeza maior, consequentemente os OTFTsnão são aptos a serem utilizados em aplicações que exigem altas velocidades. No entanto, suascaracterísitcas de processamento e desempenho já demonstrado sugere que os OTFTs podem sercompetitivos para as novas ou já existentes aplicações de FETs que requerem grande área decobertura, flexibilidade estrutural, processamento a baixa temperatura, e especialmente baixocusto. Tais aplicações incluem dispostivos de tela plana a base de cristal líquido ou diodosemissores de luz. Uma classe importante de materiais orgânicos que vêm sendo utilizada comocanal em transistores orgânicos é o fulereno, C60 , pois além de apresentar todas as vantagensjá mencionadas para materiais orgânicos, diversos autores têm reportado sua alta mobilidadeeletrônica com valores superiores a 5 cm2 /V.s [3]. O fulereno é uma forma alotrópica do carbono, sendo este um dos elementos químicos maisinteressantes, pois podem dar origem a uma das substâncias mais frágeis e baratas - o grafite -e também a uma das mais rígidas e caras - o diamante. Tais estruturas são possíveis devido àconfiguração eletrônica 1s1 2s2 2p3 e os orbitais de valência 2s e 2p podem se misturar para formartrês orbitais híbridos: sp1 , sp2 e sp3 . O carbono puro é encontrado em duas formas cristalinasjá citadas: a grafita é formada pela sobreposição de folhas de grafeno que se unem através deinterações fracas do tipo Van der Waals. Cada átomo de carbono, se liga a outros três formandoespacialmente uma rede bidimensional de anéis hexagonais, todos com hibridização sp2 ; nodiamante, carbonos com hibridização sp3 se ligam a outros quatro carbonos formando um arranjotetraédrico resultando numa estrutura tridimensional o que faz com que o diamante seja umaestrutura extremamente rígida e estável. Em meados dos anos 80, Kroto e col., descobriram ummaterial composto por estrutura fechada, convexa, composta por faces pentagonais e hexagonais,formadas por átomos de carbono com hibridização sp2 , denominada fulereno. A primeiraestrutura possuia sessenta átomos de carbono C60 e se organizava espacialmente de forma similara uma bola de futebol [4]. A utilização do fulereno para o desenvolvimento de transistores de filmes finos requer apreparação de filmes robustos na superfícies do eletrodo desejado com uma morfologia bem
  • 5. 1 Introdução 4controlada. As técnicas mais utilizadas para a formação desses filmes de fulereno são: spincoating, casting, deep coating e evaporação térmica. Cada técnica é utilizada para se obterdeterminadas características do filme: quando se deseja um filme espesso e que não necessite deuma superfíce morfologicamente perfeita, pode-se usar as técnicas casting e deep coating. Nadeposição por casting uma determinada quantidade da solução do material orgânico que desejaformar o filme é colocada sobre o substrato e se espera até que o solvente seja todo evaporado; nométodo de deposição por deep coating o substrato é mergulhado diversas vezes dentro da soluçãodesejada e a quantidade de mergulhos está relacionada com a espessura do filme que se desejaobter. Em ambas as técnicas os filmes obtidos são da ordem de µm. Quando se deseja obterfilmes da ordem de poucas centenas de nanômetros pode-se usar a deposição por spin coating:nesta técnica é feita uma solução do material orgânico e colocada sobre o substrato e com oauxílio de um spinner o filme é formado. Escolhendo a rotação desejada do spinner pode-seajustar a espessura do filme. No processo de deposição térmica ou deposição física, os átomos oumoléculas da substância que vão constituir o filme são removidos de uma fonte sólida com auxíliode calor ou bombardeamento com partículas energéticas em uma câmara de vácuo. O fluxo deevaporação pode ser controlado pela temperatura ou pelo fluxo de bombardeamento. Os átomosremovidos da fonte sólida se reagrupam novamente nas superfícies expostas da câmara de vácuoformando o filme do material evaporado. Filmes obtidos por essa técnica podem apresentarespessura de até dezenas de nanômetros e superfícies relativamente uniformes. Esta monografia visa mostrar, analisar e discutir criticamente o processo de transporte decorrente em um dispositivo baseado em um material orgânico, C60 , quando os contatos elétricosno dispositivo são bloqueantes (Schottky). Devido as características já citadas dos OFETs YoheiOhta e col.1 ressaltaram a necessidade de quantificar a análise da injeção de portadores nosdispositivos com uma única barreira Schottky [5]. Neste dispositivo, um dos eletrodos foirecoberto com 1-alkanethiols Cn H2n+1 SH, com n = 12, sendo que este contato apresentouuma barreira para o fluxo de portadores e a outra junção, sem recobrimento, formou um contatoôhmico. Serão apresentados alguns dados sobre a estrutura geral da classe dos chamados fulerenose a formação do dispositivo; em seguida será feito um tratamento quantitativo do processo detransporte na estrutura e sua aplicabilidade, tendo como base o modelo proposto pelos autoresdo artigo em questão. Por fim, uma visão crítica do artigo será apresentada . 1 Transport properties in C60 field-effect transistor with a single Schottky barrier artigo escolhidopara esta monografia de qualificação de doutorado.
  • 6. 52 Contato Metal-Semicondutor O contato metal-semicondutor (MS ) é motivo de grande estudo e interesse para os dispositi-vos eletrônicos, pois é a forma de conexão do material semicondutor com o mundo externo, alémde permitir a formação das interconexões entre dispositivos dentro de um circuito integrado.O contato MS constitui-se numa parte intrínseca de vários dispositivos, podendo apresentarum comportamento ôhmico (dependência linear e simétrica da corrente en função da tensão)com baixa resistência ou retificador (dependência não linear da corrente em função da tensão,característica de um diodo). O contato retificador é conhecido desde o trabalho de Braun [6]que observou a primeira evidência da natureza assimétrica da condução elétrica entre contatosmetálicos e semicondutores tais como cobre e sulfeto de ferro. Em 1938 Schottky e independenteMott mostraram que a retificação poderia ser explicada supondo que os elétrons passam sobreuma barreira de potencial através de um processos de emissão termicamente estimulada [7, 8].Deacordo com Mott, a barreira de potencial é devido a diferença entre a função do trabalho do metale a eletroafinidade do semicondutor; Mott supôs que a região da barreira (interface MS ) estavadesprovida de portadores de forma que o campo elétrico era constante e o potencial eletrostáticovariava linearmente com a distância. Diversos dispositivos atuais são baseados em contatos MS com características como asdefinidas por Schottky e Mott. O estudo destas barreiras, bem como do processo de formaçãoé fundamental para o desenvolvimento e entendimento de novos materiais com aplicações emdispositivos. Normalmente um dispositivo de barreira, como um diodo, é formado por doiscontatos MS : um retificador e outro ôhmico; há casos porém, como o que é tratado pelo artigoescolhido em que os dois contatos formados são do tipo retificador. Para entender o processo decondução de corrente neste caso, precisamos antes entender como se dá a formação da barreiraSchottky e como ela determina a corrente no dispositivo.2.1 Formação da barreira Schottky Afim de estudarmos formação da barreira Schottky supomos inicialmente que o metal e osemicondutor são eletricamente neutros e separados um do outro. O diagrama de bandas émostrado na fig. 1(a) para um semicondutor do tipo-n com uma eletroafinidade menor do quea função trabalho do metal e ainda vamos supor que não há estados de superfície presentes 1 .Conectando agora o metal e o semicondutor elétrons irão fluir do semicondutor para o metal e os 1 São formados quando a estrutura (atômica e química) do semicondutor não coincide com a do metal, dessamaneira, dipolos elétricos se formarão na interface modificando a altura de barreira na junção.
  • 7. 2.1 Formação da barreira Schottky 6niveis de Fermi de ambos serão forçados a coincidir, como apresentado na fig. 1(b). As energiasdos elétrons longe das superfícies dos dois sólidos continuam as mesmas e há o aparecimento deum campo elétrico na interface, havendo uma carga negativa na superfície do metal balanceadapor uma carga positiva no semicondutor. Visto que o semicondutor é do tipo-n, a carga positivaserá composta por íons positivos na região de depleção indicada na fig. 1(c). Como a concentraçãode doadores é muitas ordens de grandeza menor do que a concentração de elétrons no metal, osdoadores ionizados ocupam uma camada de espessura apreciável, w, comparável ao comprimentoda região de depleção em uma junção p-n, e as bandas no semicondutor são curvadas comomostra a fig. 1(b). A diferença Vi entre os potenciais eletrostáticos nas superfícies do metale do semicondutor é dada por Vi = δεi , onde δ é a separação entre os sólidos e εi o campoelétrico na região de gap. Se continuarmos a aproximar o metal do semicondutor, Vi tende azero e εi permanece finito, [fig. 1(c)] e, quando finalmente colocarmos em contato o metal e osemicondutor, [fig. 1(d)], a barreira devido ao vácuo desaparece completamente e ficamos comum contato metal-semicondutor ideal. Fica claro pela figura que Vi tende a zero e que a alturada barreira, φb , medida em relação ao nível de Fermi é dada por [9] φ b = φ m − χs , (2.1)onde φb é a função trabalho do metal e χs é a eletroafinidade do semicondutor. Na prática,tal contato ideal nunca é alcançado, como visto na fig. 1(d), pois geralmente há a presença deuma fina camada de óxido com espessura em torno de 10-20 Å, na superfície do semicondutor.O contato, na prática, é mais frequentemente obtido como na fig. 1(c) com o detalhe de quea barreira apresentada na fig. 1(c) é suficientemente estreita de modo que os elétrons podemtunelar facilmente através da interface; dessa forma considera-se que os diagramas apresentadosnas fig. 1(c) e (d) são praticamente indistinguíveis. O modelo descrito acima descreve a maneira pela qual surge a barreira em uma junção metal-semicondutor. Quando isso ocorre teremos um contato retificador, ou seja, haverá conduçãode corrente para polarização direta e em polarização reversa, a corrente será extremamentepequena. Em determinadas situações, quando ambos os contatos realizados em um dado materialsemicondutor apresentam características retificadores como o apresentado aqui, diz-se que osistema tem injeção de cargas controlada por duas barreiras, sendo que cada uma delas comporta-se da mesma maneira que a apresentada anteriormente. A diferença está no processo de conduçãode corrente, que poderá ser entendido facilmente considerando-se, inicialmente, o processo decondução global de corrente através da emissão termiônica 2 . 2 Num dispositivo retificador, um contato elétrico comporta-se como o apresentado aqui, enquanto que o outro,tem características ôhmicas, ou seja, a barreira entre o metal e o semicondutor φb não existe ou é muito pequenapara influenciar o processo de transporte.
  • 8. 2.2 Emissão termiônica 7Figura 1: Formação de uma barreira entre um metal e um semicondutor (a) ambos eletricamenteneutros e isolados, (b) eletricamente conectados, (c) separados por uma pequena distância, (d)em total contato. O símbolo denota elétrons na banda de condução, enquanto que o símbolo+ denota ions doadores.2.2 Emissão termiônica Nesta seção será discutido o mecanismo de transporte que determina as propriedades decondução através de uma barreira Schottky. Há várias maneiras pelas quais os elétrons podemser transportados através da junção MS como está esquematicamente mostrado na fig. 2(a). Osmecanismos de transportes que podem ocorrer são [9]:a emissão de elétrons do semicondutor sobre o topo da barreira no metal;b tunelamento quântico através da barreira;c recombinação na região de carga espacial;d recombinação em uma região neutra (injeção de lacunas). Destas, a mais usualmente observada é a emissão por sobre a barreira e será a estudada aqui3. O modelo de emissão termiônica para a barreira em uma junção metal-semicondutor pode serexpressa por: φb qVB J = A∗ T 2 exp − exp −1 (2.2) kB T nkB Tonde A∗ , φb , q, T, n e kB são a constante de Richardson, altura da barreira Schottky dajunção MS, carga eletrônica, temperatura, fator de idealidade e constante de Boltzmann,respectivamente. A eq. (2.2) é a equação de um diodo Schottky modificada, incorporando a 3 Os outros mecanismos dependem, por exemplo, de condições específicas como alta dopagem no semicondutor,gap estreito, alta taxa de recombinação, entre outros.
  • 9. 2.2 Emissão termiônica 8Figura 2: (a) Processo de transporte de uma barreira Schottky em tensão direta, (b) diagramade banda do fulereno, (c) Diagrama esquemático do dispositivo com duas barreiras com V = 0Ve (d) V = V1 + V2 .dependência da altura de barreira com a voltagem aplicada (devido a efeito de carga imagem).Tal dependência é descrita por 1 φb (V ) = φb + eV 1− , (2.3) n Para o artigo em questão a barreira Schottky é formada através da junção Au-C60 /pentacenoe tem entre 0, 09 − 0, 17eV , valor muito menor do que esperado através do diagrama de bandas,1, 5eV , como é apresentado na fig. 2(b) [10]. No artigo publicado por Yohei Ohta e col., oscontatos elétricos foram formados a partir da evaporação de Au sendo que um dos eletrodos foirecoberto com C12 H25 SH permitindo a príncipio a formação de duas barreiras. De forma geral,a obtenção de contato ôhmico na prática é dificil, pois em uma junção MS sempre se forma umabarreira (a menos que algum processo adicional seja usado, como por exemplo, alta dopagemno semicondutor ou tratamento térmico). Por esta razão, uma análise mais geral baseada nomodelo de emissão termiônica para duas barreiras Schottky deve ser usada. Uma representaçãoesquemática para o modelo de duas barreiras Schottky é apresentado na fig. 2(c) e (d). Quando uma tensão V é aplicada ao dispositivo, o diagrama de energia, fig. 2(c), seráalterado como mostra a fig. 2(d). Como é visto nesta figura, a densidade de corrente líquida seráJ1 e é uma corrente direta pois o potencial intrínseco, eVBi1 muda para e(VBi1 -V1 ) enquanto quea altura da barreira Schottky para a junção 1, φef f , não é alterada. A densidade de corrente na b1outra junção (junção 2) J2 , é uma corrente reversa pois eVBi2 aumenta para e(VBi2 +V2 ) no ladodo semicondutor, e novamente a altura da barreira Schottky para a junção 2, φef f , também não b2
  • 10. 2.2 Emissão termiônica 9varia. As tensões V1 e V2 são as quedas de tensão nas junções 1 e 2, respectivamente. J1 e J2são expressas por [11, 12] eV1 eV2 J1 = Js1 exp − 1 , J2 = −Js2 exp − −1 , (2.4) nkB T nkB T onde Js1 e Js2 são densidades de corrente de saturação e expressas por [13]: ∗ 2 qφef f ∗ qφef f 2 Js1 = A T exp − b1 , Js2 = A T exp − b2 . (2.5) kB T kB T A densidade de corrente total JT pode ser obtida levando-se em consideração que JT = J1 =J2 e V = V1 + V2 [11], ou seja, eV 2Js1 Js2 sinh ekB T JT = . (2.6) eV eV Js1 exp 2nkB T + Js2 exp − 2nkB T O modelo expresso pela eq. (2.6) é geral e válido para qualquer que seja a altura de barreira,implícita nas correntes de saturação Js1 e Js2 . Por esta razão é interessante estudarmos algunscasos limites, como por exemplo, o que ocorre quando as barreiras de ambas junções são iguais.Por outro lado, quando fazemos a altura de uma das barreiras igual a zero, temos que recuperaro modelo de emissão termiônica para um diodo Schottky. Cada um desses casos será descrito eanalisado a seguir.Caso 1 Para φef f = φef f = φef f e n = 1 b1 b2 ef fNestas condições temos que Js1 = Js2 = A∗ T 2 exp − qφ T kB e a eq. (2.6) se reduz a: qφef f A∗ T 2 exp − b kB T sinh eV 2kB T JT = (2.7) eV cosh 2nkB T Nas condições citadas acima temos a equação inicialmente proposta por Yohei Ohta e col.quando se usa eletrodos do mesmo metal. A fig. 3(a) apresenta a condição em que φef f = 0, 5eVe n = 1, 15 para temperaturas de 280, 300 e 320K. O efeito da barreira dupla pode ser notadoclaramente, assim como o efeito da temperatura.Caso 2 Para φef f = φef f = φef f e n = 1 b1 b2 ef f Novamente teremos Js1 = Js2 = A∗ T 2 exp − qφ T kB e a eq. (2.6) se reduz a: ef f A∗ T 2 exp − qφ T kB sinh eV 2kB T JT = (2.8) eV cosh 2kB T
  • 11. 2.2 Emissão termiônica 10 0,20 20 (a) n = 1,15 320 K (b) n = 1,00 0,15 300 K 15 280 K 0,10 10 (A/m ) (A/m ) 2 = =0,5 eV 2 5 = =0,5 eV 0,05 1 1 0 0,00 T -5 T -0,05 J J -10 320 K -0,10 300 K -15 -0,15 280 K -20 -0,20 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 350 4 n = 1,15 (d) n = 1,25 (c) = 0,48 eV 320 K 2 300 300 K 3 x 10 (A/m ) =0,45 eV 2 250 (A/m ) 2 280 K =0,5 eV 2 1 200 =0,48 eV 2 2 = 0 eV 2 5 150 10 x 10 1 100 =0,5 eV 1 T 50 J 0 T J 0 -50 -1 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 Voltagem (V) Voltagem (V)Figura 3: Casos limites para o modelo de dupla barreira Schottky, em (a) temos φef f = φef f = b1 b2φef f e n = 1, (b) φef f = φef f = φef f e n = 1, (c) φef f = φef f e n = 1 e (d) φef f = 0, 5eV e b1 b2 b1 b2 b1φef f = 0 e n = 1 b2 Nesta situação teremos dois diodos ideais. Dessa maneira, quando um permite a passagemde corrente elétrica o outro não permite, e quando invertemos a polarização o contrário ocorre,a corrente total é então limitada pelas correntes de saturação Js1 e Js2 . Tal situação pode serobservada na fig. 3(b), com φef f = 0, 5eV para temperaturas de 280, 300 e 320K. O valor dacorrente de saturação apresentado na fig. 3(b) é devido somente ao efeito de emissão termiônica.Caso 3 Para φef f = φef f e n = 1 b1 b2 Neste caso Js1 = Js2 e dessa forma a eq. (2.6) permite o cálculo da corrente total comomostra a fig. 3(c): nessa situação φef f = 0.5eV e φef f tem os seguintes valores: 0,4, 0,45 e 0,48 b1 b2eV e n = 1,15 em T = 300K. O efeito da barreira é observado na fig. 3(c) e como previsto pelateoria, quanto menor a altura da barreira maior o nível de corrente.Caso 4 Para φef f = 0, 5eV e φef f = 0 e n = 1 b1 b2 Com uma barreira igual a zero retomamos o caso inicial dado pela eq. (2.2), quando um doscontatos é ôhmico - ausência de barreira, e o outro é bloqueante - presença de barreira. Paratensão reversa temos uma densidade de corrente extremamente pequena enquanto para tensãodireta temos que a densidade de corrente aumenta exponencialmente, como pode ser visto na fig.3(d) para φef f = 0, 5eV e fator de idealidade n = 1,25 (temperaturas 280, 300 e 320K). b1
  • 12. 2.3 Resultados de Yohei Ohta e col. 11 O modelo descrito acima para emissão termiônica com barreiras Schottky única e duplanorteou todo o trabalho descrito por Yohei Ohta col.. O modelo de barreiras Schottky duplasé bastante interessante, pois algumas vezes, uma análise das caracterísitcas J vs. V é realizadade forma errônea, porque se usa apenas a região de tensão direta ou reversa. Como resultado,encontra-se fator de idealidade muito maior do que a unidade e/ou altura de barreira que nãocondiz com a teoria. Na seção seguinte os dados e a discussão dos resultados obtidos por YoheiOhta e col. serão apresentados.2.3 Resultados de Yohei Ohta e col. A estrutura do dispositivo FET usado é apresentada nas fig. 4(a) e (b). Os eletrodos foramobtidos da seguinte maneira: primeiro evaporou-se Cr no substrato de Si/SiO2 para melhorara adesão entre Au (também evaporado, com espessura de 18 nm) e SiO2 ; após esta etapa, oeletrodo foi recoberto com C12 H25 SH submergindo o substrato em solução de etanol com 1,0 x10−2 mol.dm−3 de C12 H25 SH. Após esta etapa um filme de 50 nm de C60 foi evaporado sobreo substrato e sobre este filme foi definido o segundo eletrodo, também de Au com 40 nm deespessura; os autores esperavam que este eletrodo formasse um contato ôhmico. No texto osautores definem VB =VDS (para se referenciarem a um outro trabalho; no nosso caso, VB =V) eque JF é JR são densidade de corrente direta e reversa, respecivamente. Todas as medidas foram D Drealizadas em vácuo e com pressão de 10−6 Torr. As curvas |JF |-|VB | e |JR |-|VB | são apresentadas na fig. 4(c) e (d) para VG = 100V em D D300 K e 220 K, respectivamente. Os valores para |JF | foram maiores para |JR |, tanto para D D300K quanto para 220 K; porém, para 220 K o valor obtido para as densidades de corrente foimaior. Foi observada uma maior concavidade4 para JR do que para JF . Tal resultado vai ao D Dencontro do que é mostrado no diagrama de bandas apresentado na fig. 2(d), quando é aplicadoum potencial no eletrodo de Au recoberto com C12 H25 SH: a barreira de potencial no filme defulereno reduz-se para eVBi - eVB . Por outro lado, quando eVB é aplicado ao eletrodo de Aupuro, a barreira de potencial no filme de fulereno aumenta de eVBi para eVBi + eVB . Os dados da curva |JF |-|VB | em 300 K foram ajustados seguindo a modelo de emissão Dtermiônica para uma única barreira e |VB | < 10 V, e os valores obtidos para φef f e nF 5 foram, BF0,3325 eV e 263, respectivamente. O valor econtrado para φef f está de acordo com o obtido por BFoutros autores como Hayashi e col. (como citado no artigo) [10]. No entando nF é muito maiordo que a unidade, indicando que este modelo não é aplicável as curvas |JF |-|VB | para o FET C60 Dusado no estudo. Para a densidade de corrente reversa em 300 K os valores obtidos para φef f BRe nR foram, 0.347 eV e 1,0039, respectivamente. O valor de φef f é similar ao encontrado por BR 4 Os autores referem-se concavidade ao comportamento mais próximo a de um diodo Schottky. 5 nF e nR referem-se ao fator de idealiade obtido para tensão direta e reversa, respectivamente.
  • 13. 2.3 Resultados de Yohei Ohta e col. 12 FFigura 4: Em (a) tem-se configuração de medida de densidade de corrente direta JD e (b) reversa R . As regiões mostradas pela cor azul, cinza e roxa refere-se a C H SH, Cr e filme fino deJD 12 25C60 , respectivamente. As caracterizações |JF |-|VB | e |JR |-|VB | são apresentadas em (c) para 300 D DK, (d) 220 K, (e) gráfico φef f vs. T e φef f vs. T e em (f) µF f vs. T e µR f vs. T. BF BR ef efHayashi e col. para o FET C60 com barreira Schottky dupla formada por C12 H25 SH. No entanto,nR é muito próximo da unidade o que indica que os dados |JR |-|VB | podem ser razoavelmente Danalisados com o modelo de uma única barreira Schottky eq. (2.2) [10]. A diferença entre ascaracterísticas de transporte das curvas |JF |-|VB | e |JR |-|VB |, pode ser um indício de que um D Dcontato ôhmico ideal ainda não foi formado junção na C60 - Au. Na verdade, quando φef f B1φef f , JD pode ser expresso pela eq. (2.2) ao invés da eq. (2.6). Isto pode ser explicado pelo B2fato de que |JR | é consideravelmente dominada pelo maior potencial (eVBi + eVB ) na junção DAu-(C12 H25 SH)-C60 e que o pequeno valor de φef f , dificilmente afeta |JR |; este comportamento B2 Dlevou os autores a supor que para as curvas |JR |-|VB | pode ser usada uma barreira de potencial, Dobtendo valores próximos para φef f em ambos casos φef f ∼ φef f . Entretanto, os valores de nF B BF BRe nR são muito diferentes, o que nos leva a crer que pode haver um problema no tratamentodos dados apresentados, uma vez que isto está em contraste ao fato de que n é muito sensível àscurvas de caracterização |JF | e |JR |. D D As curvas para φef f vs. T e φef f vs. T são apresentadas na fig. 4(e). Os resultados BF BRpara ambas barreiras são praticamente idênticas, o que mostra que φef f quase não é afetada pela Bexistência de uma pequena barreira Schottky no contato superior, e os resultados são consistentesem baixa temperatura. De forma geral a altura de barreira Schottky é descrita pela eq. (2.3),mas neste trabalho os autores consideraram também uma barreira de tunelamento através da
  • 14. 2.3 Resultados de Yohei Ohta e col. 13pequena camada de C12 H25 SH usada para recobrir o contato de Au inferior. Dessa forma, abarreira efetiva então deve ser escrita como φef f = φb + kB T βl (2.9)onde β e l são eficiência de tunelamento dos elétrons através da camada isolante e espessura doisolante, respectivamente; o menor valor β nos leva a maior eficiência dos portadores em tunelaratravés do isolante. Os valores de β e φB são determinados através da inclinação e do interceptodo gráfico φef f vs. T; os valores obtidos foram, β ∼ 0,82 - 0,97 próximo de 0,65 determinado Bpara o FET C60 com duas barreiras Schottky com C12 H25 SH. Por outro lado, foi encontrado φB∼ -0,020 - 0,026 eV menor do que 0,152 eV para FET C60 com duas barreiras Schottky formadapor C12 H25 SH. O pequeno valor da altura da barreira está em contraste com o valor esperadovia diagrama de banda (1,5 eV, ver fig. 2(b)). O dispositivo utilizado pelos autores tem a configuração de um transistor, cuja mobilidade 1 1 DF DR DF DRpode ser calculada através das caracterizações |IS | 2 -|VG | e |IS | 2 -|VG |, onde |IS | e |IS |são correntes de saturação direta e reversa no dreno, respectivamente. A fig. 4(f) apresenta osresultados para a mobilidade do FET, µF e µR em função da temperatura. Uma nítida diferençaé observada entre µF e µR , o que, segundo os autores, mostra que efeito retificador está presentena região de alta temperatura. Isto, pode ser um índício que a altura da barreira Schottky najunção Au-C60 não é desprezível abaixo de 300 K e neste caso o uso de duas barreiras Schottkyé necessário. Como conclusão Yohei Ohta e col., observaram um contato retificador no FET Au-C60 -C12 H25 SH:Au e aplicando a idéia de um dispositivo com duas barreiras Schottky, conseguiramextrair parâmetros como altura de barreira e fator de idealidade para os dispositivos. Nainterpretação dos autores, foi possível diferenciar barreiras diferentes em contatos diferentes.
  • 15. 143 Considerações Finais O artigo em questão apresenta uma importante ferramenta para a análise das característicascorrente-tensão em dispositivos com junções MS, principalmente por tratar o caso quando duasbarreiras Schottky são formadas em um mesmo dispositivo. Um fato importante e mesmo semexplicação é que os autores passam a introdução descrevendo sobre como obter a densidadede corrente para um dispositivo com dupla barreira Schottky, mas em seus resultados, emmomento algum sua própria idéia é usada. Para analisar os dados apresentados os autoresseparam as características de polarização reversa e direta para tratá-las independentementescomo se se tratassem de dispositivos como uma única barreira. Como foi mostrado na seção 2.2e especificamente na fig. 3 o modelo de dupla barreira é, na verdade, uma generalização do casosimples de uma barreira: dessa forma deveria ter sido utilizado na análise das curvas apresentadasno trabalho. Os autores também afirmam, usando os resultados para a mobilidade eletrônicaque é possível descobrir o caráter retificador dos dispositivos. Segundo eles isso é mostrado peladiferença entre µF e µR . Entretanto a pequena diferença observada nos dados de mobilidade, ameu ver, não justificam tal afirmativa, sendo no máximo uma evidência do efeito retificador. Deforma geral, o artigo toca em um ponto muito importante e atual, independentemente do materialestudado, uma vez que a fabricação de contatos ôhmicos em dispositivos é relativamente dificil.O modelo inicialmente apresentado dá conta de analisar as características de um dispositivomesmo fora das condições ideais, como por exemplo, um contato retificador e um ôhmico.
  • 16. 15 Referências[1] BURROUGHES, J. et al. Light-emitting diodes based on conjugated polymers. nature, v. 347, n. 6293, p. 539–541, 1990.[2] CHIANG, C. et al. Electrical conductivity in doped polyacetylene. Physical Review Letters, APS, v. 39, n. 17, p. 1098–1101, 1977.[3] DIMITRAKOPOULOS, C.; MALENFANT, P. Organic thin film transistors for large area electronics. Advanced Materials, v. 14, n. 2, p. 99, 2002.[4] KROTO, H. The stability of the fullerenes cn, with n= 24, 28, 32, 36, 50, 60 and 70. Nature, Nature Publishing Group, v. 329, n. 6139, p. 529–531, 1987.[5] OHTA, Y.; KUBOZONO, Y.; FUJIWARA, A. Transport properties in c field-effect transistor with a single schottky barrier. Applied Physics Letters, v. 92, p. 173306, 2008.[6] BRAUN, K. Pogg. In: ANNUAL. [S.l.], 1874.[7] SCHOTTKY, W. Halbleitertheorie der sperrschicht. Naturwissenschaften, Springer, v. 26, n. 52, p. 843–843, 1938.[8] MOTT, N. Note on the contact between a metal and an insulator or semi-conductor. In: CAMBRIDGE UNIV PRESS. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. [S.l.], 1938. v. 34, n. 04, p. 568–572.[9] RHODERICK, E. Metal-semiconductor contacts. In: IET. Communications, Speech and Vision, IEE Proceedings I [see also IEE Proceedings-Communications]. [S.l.], 1982. v. 129, n. 1, p. 1.[10] HAYASHI, N. et al. Examination of band bending at buckminsterfullerene (c)/metal interfaces by the kelvin probe method. Journal of applied physics, v. 92, p. 3784, 2002.[11] NAGANO, T. et al. Output properties of c60 field-effect transistors with au electrodes modified by 1-alkanethiols. The Journal of Physical Chemistry C, ACS Publications, v. 111, n. 19, p. 7211–7217, 2007.[12] TANG, X. et al. A novel spin-polarized transport effect based on double-schottky barriers. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Elsevier, v. 31, n. 1, p. 103–106, 2006.[13] SZE, S.; NG, K. Physics of semiconductor devices. [S.l.]: Wiley-Blackwell, 2007.[14] DATTOLI QING WAN, W. G. Y. C. X. P. E. N.; LU, W. Fully transparent thin-film transistor devices based on sno2 nanowires. NANO LETTERS, 2007.

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