REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.6 Bandas de Energia
Em especial nos semicondutores, as bandas de energia de maior interesse são: Banda de valência (BV) e a banda de condução (BC), oriundas respectivamente da camada de valência e pela camada superior a ela. Entre essas bandas existe uma região denomi- nada banda proibida (BP), onde não existem níveis de energia e a largura dessa região é conhecida como band gap.
Na teoria de bandas de energia do estado sólido, o band gap diferencia as classes dos materiais metálicos, semicondutores e isolantes, como mostra a gura 9 (FLORIANO; SCALVI; SAMBRANO, 2009).
12Intervalo de energia proibida entre o nível mínimo da banda de condução e o máximo da banda de
valência
CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Figura 9: Diagrama esquemático simpli cado mostrando os níveis de energia das bandas de valência e condução para (a) isolantes, (b) metais e (c) semicondutores. Adaptada (SZE, 2008).
2.6.1 Tipos de Transição Eletrônicas entre Bandas
Muitos trabalhos encontrados na literatura apresentam interpretações antagônicas a respeito da natureza da transição eletrônica entre bandas (band gap) para lmes nos. Saber o tipo de transição eletrônica que ocorre nos materiais é importante, pois se pode fazer uso dessa informação para classi car os materiais, como mostrado na gura 9.
É conhecido na literatura que medidas de absorção óptica estimam a natureza da transição eletrônica que o elétron sofre ao passar da banda de valência para a banda de condução (SUNDARAM; BHAGAVAT, 1981).
A transição eletrônica entre bandas (band gap) pode ser direta ou indireta. A tran- sição eletrônica do tipo direta ocorre quando o mínimo da banda de condução (BC) e o máximo da banda de valência (BV) estão associados ao mesmo momento (k) do cris- tal(KITTEL, 2006). Para esse tipo de band gap pode-se trabalhar com o quadrado do valor
da intensidade de absorção. GaAs e InP são exemplos de materiais que apresentam band gap do tipo direto (FLORIANO; SCALVI; SAMBRANO, 2009).
A transição eletrônica do tipo indireta envolve fótons e fônons no processo, pois neste caso, o mínimo da banda de condução e o máximo da banda de valência (BV) estão associados a valores diferentes do momento (k) do cristal (KITTEL, 2006). Neste caso trabalha-se com a raiz quadrada do valor da intensidade de absorção. Si, Ge e GaP são exemplos de materiais que apresentam band gap do tipo indireto (FLORIANO; SCALVI; SAMBRANO, 2009). Na gura 10, é possível observar a diferenças na estrutura de bandas
CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
de energia para materiais que apresentam transições direta gura 10(a) e gura 10(b), respectivamente.
α ∝ (hν)2 → Gap(direto) (2.9)
α ∝ (hν)12 → Gap(indireto) (2.10)
Figura 10: Exemplo de transição direta entre bandas e (b) exemplo de transição indireta entre bandas em função do momento (k) do cristal. Adaptada (PANKOVE, 2012).
Através de grá cos de (αhν)2y em função da energia do fóton incidente (hν), é possível
obter uma indicação a respeito da natureza da transição eletrônica de um semicondutor, onde y pode assumir os valores de 1 (um) ou 4 (quatro), dependendo da natureza de band gap do material.
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2.6.2 Aplicações
A natureza da transição eletrônica é importante para o uso do material em aplicações ópticas, uma vez que dispositivos como diodo emissor de luz (LED) e lasers semiconduto- res, utilizam materiais que possuem estrutura de bandas de energia do tipo direta (SZE,
2008).
De Souza e colaboradores (SOUZA et al., 1997), utilizaram o método sol-gel-dipcoating
(RACHEVA; CRITCHLOW, 1997) para deposição de lmes nos de SnO2. Foram produzidos
lmes nos de 10, 20 e 30 camadas. É possível notar na gura 11 a dependência linear da curva (αhν)2 em função da energia do fóton incidente (hν), para os lmes produzidos
com 10, 20 e 30 camadas, obtida pelos autores, mostrando que a transição eletrônica entre bandas do material é direta. Sendo possível usar o material em aplicações eletro-ópticas.
Figura 11: Curva (αhν)2 versus (hν) (SOUZA et al., 1997).
Serin e colaboradores (SERIN et al., 2006) estudaram as propriedades ópticas e es-
truturais de lmes nos de óxidos condutores transparentes, depositados sobre substrato de vidro, em diferentes temperaturas de substratos através da Técnica Spray Pyrolysis (RAJPURE et al., 2000). A solução foi pulverizada nos substratos de vidro, com temperatu- ras variando de 300 a 500◦C e depois os lmes foram resfriados a temperatura ambiente.
O aumento na temperatura do substrato provocou um aumento na cristalinidade do ma- terial. Baseando-se na gura 12, Serin classi cou o lme no produzido nessas condições como um bom material para aplicações fotovoltaicas, pois apresenta uma energia de band gap razoavelmente baixa.
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Figura 12: Curva (αhν)2 versus (hν) para lmes nos de TCOs depositados em diferentes
temperaturas de substrato. Figura adaptada (SERIN et al., 2006).
Gu e colaboradores (GU et al., 2000) analisaram as propriedades ópticas de lmes nos de SnO2 que está presente na classi cação dos tipos de lmes de TCOs, produzidos pelo
método sol-gel-dip-coating (RACHEVA; CRITCHLOW, 1997), depositados sobre substratos
de vidro. Os lmes foram analisados por meio de medidas de absorção óptica, onde foi possível classi car o bandgap do material como indireto. A gura 13 mostra A curva de (αhν)12 em função da energia do fóton incidente (hν), para cada um dos três tipos de
lmes.
Figura 13: Filmes nos de SnO2 depositados sobre substrato de vidro com diferentes tratamentos
(GU et al., 2000).
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É possível notar na curva da gura 13 a presença de uma região com expressiva linearidade na transição do band gap. Tal análise permitiu considerar os lmes como bons ltros anti-re exo.
Yousif e colaboradores (YOUSIF; ABASS, 2013) analisaram lmes nos de FTO, pre-
parados em substrato de vidro e quartzo a uma temperatura de substrato igual a 450◦C
para diferentes dopagens do úor (0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2) por uma técnica de "Spray Py- rolysis"(RAJPURE et al., 2000) sob atmosfera ambiente. O band gap óptco foi determinado,
conforme mostra a gura 14.
Figura 14: Band gap óptico de lmes nos de SnO2 : F em função da energia do fóton para
diferentes dopagens de úor (YOUSIF; ABASS, 2013).
Os autores concluíram que o elemento dopante, o úor, aumentou o espectro de trans- mitância dos lmes. Pois a taxa de crescimento dos lmes é diminuída com o acréscimo de úor. De acordo com (ATAY et al., 2010; THANGARAJU; KALIANNAN, 2000b, 2000a),
lme nos com esse tipo de resposta óptica podem ser usados em eletrodos transparentes e outros dispositivos optoeletrônicos.