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CONVÊNIOS CNPq/UFU & FAPEMIG/UFU
Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação
DIRETORIA DE PESQUISA
COMISSÃO INSTITUCIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA
2008 – UFU 30 anos
CRESCIMENTO, CARACTERIZAÇÃO E ESTUDO DE PONTOS
QUÂNTICOS DE ZnTe E Zn
1-XA
XTe (A = Mn, Co) EM MATRIZES
VÍTREAS E EM SOLUÇÕES COLOIDAIS*
Alessandra dos Santos Silva1
Instituto de Física, Universidade Federal de Uberlândia.
Laboratório de Novos Materiais Isolantes e Semicondutores - LNMIS C.P.593, CEP. 38400-902, Uberlândia-MG, Brasil.
E-mail: [email protected]
Noelio Oliveira Dantas2
E-mail: [email protected]
Resumo: Nesta pesquisa sintetizou-se o sistema vítreo PZABP (P2O5 - ZnO - Al2O3 BaO -PbO) dopado com Te “bulk”, visando o crescimento de nanocristais de ZnTe. Sintetizou-se também nanocristais de Zn1-xAxTe (A = Mn, Co), que são pontos quânticos semimagnéticos. Obtiveram-se espectros de Absorção Óptica (AO) e Raman à temperatura ambiente. Nos espectros de AO as bandas deslocam-se para comprimentos de onda maiores à medida que as amostras dopadas foram submetidas a tratamentos térmicos por intervalos de tempo crescentes, dando indícios do crescimento desses nanocristais. Verificou-se que a banda centrada em torno de 400 nm desloca-se para comprimentos de ondas maiores em função do tempo de tratamentos térmicos, isto dá um forte indício da formação e crescimento de pontos quânticos semicondutores de ZnTe e semimagnéticos de Zn1-xMnxTe e Zn1-xCoxTe no sistema vítreo PZABP, por apresentarem propriedades de confinamento quântico. Já a banda de AO centrada em torno de 530 nm não se desloca quando o sistema vítreo PZABP dopado é submetido às mesmas condições de tratamentos térmicos, em que poderá ser atribuída a nanocristais com propriedades do correspondente material “bulk”. Os espectros Raman das amostras contendo, tanto pontos quânticos como nanocristais de ZnTe, apresentam bandas centradas em torno de 217, 428 e 655 cm-1, utilizando a linha 514,5 nm de um laser de argônio como fonte de excitação. Esses picos comprovam a formação tanto de pontos quânticos como de nanocristais de ZnTe bulk no sistema vítreo PZABP.
Palavras-Chave: Pontos Quânticos de ZnTe, Nanocristais de ZnTe, Absorção Óptica, Raman.
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Acadêmica do curso <Física> 2
Orientador
*Síntese e caracterizações de nanocristais em sistemas coloidais serão desenvolvidas no segundo ano do plano de trabalho
1. INTRODUÇÃO
Vidros dopados com pontos quânticos semicondutores têm sido estudados devido a suas interessantes propriedades ópticas e eletrônicas, para aplicações, como, por exemplo, dispositivos ópticos, moduladores de luz e lasers [4, 7].
Nessa linha de pesquisa, vem-se estudando nanocristais semicondutores e semimagnéticos, com raios menores ou comparáveis com o raio de Bohr do material bulk (material sem confinamento quântico), denominados pontos quânticos, os quais apresentam propriedades de confinamento eletrônico nas três direções espaciais e características significativamente diferentes do material bulk [2, 4, 6], que podem ser utilizados para investigar o comportamento dos semicondutores em um regime de tamanho nanométrico.
O telureto de zinco (ZnTe) é um semicondutor, pertencente ao grupo II-VI da tabela periódica, que apresenta um gap de energia em torno de 2,25 eV [1, 3, 5, 8, 9], e transições eletrônicas de absorção na faixa azul-verde, em torno de 450 nm a 560 nm, do espectro eletromagnético[1, 3, 5, 8]. Em condições normais o ZnTe possui como estrutura cristalina o zinc- blende [5, 8].
Os pontos quânticos de ZnTe são muito atrativos devido às potenciais aplicações em dispositivos optoeletrônicos que operam na faixa azul-verde do espectro eletromagnético. Dentre estas aplicações estão os diodos de lasers verdes puros, células solares, guias de ondas (elemento preferido para a transmissão e processamento de ondas eletromagnéticas de freqüência e/ou potência muito elevada), moduladores ópticos, chaveamento óptico.
Diante deste interesse científico, têm-se sintetizado e caracterizado nanocristais de ZnTe, respectivamente, por vários métodos e técnicas, visando obter propriedades ópticas e estruturais adequadas as referidas aplicações.
Nanocristais de ZnTe dopados, como, por exemplo, com A = (Mn2+, Co2+) (Zn 1-xAxTe/pontos quânticos semimagnéticos) têm, também, sido sintetizados e caracterizados, devidos
as suas propriedades magneto-ópticas interessantes no estudo da spintrônica, visando, por exemplo, aplicações em computação quântica[3].
2. EXPERIMENTAL
Vidros fosfatos foram sintetizados pelo método de fusão e caracterizados, respectivamente, pelas técnicas experimentais de Absorção Óptica (AO), utilizando um espectrofotômetro de retroespalhamento Carx 5000/Varian e Espectroscopia Raman, utilizando a linha 514,5 nm de um laser de argônio, ambas obtidas à temperatura ambiente.
A matiz vítrea PZABP (65P2O5.14ZnO . 1Al2O3 . 10BaO . 10PbO (mol%)), escolhida como
o meio hospedeiro para o crescimento de nanocristais de ZnTe foi dopada, separadamente, com 1,0Te (%wt PZABP) bulk. A referida matriz foi denominada de Matriz PZABP.
A sintetização da Matriz PZABP foi efetuada em um forno a 1300°C por 30 minutos, com atmosfera rica em carbono, utilizando cadinho de porcelana. Entornou-se o “melt” sobre uma placa de latão a uma temperatura em torno de 15ºC, obtendo desta forma, placas de vidro com espessuras em torno de 2 mm. Esse processo de resfriamento deve ser rápido a fim de evitar a cristalização.
Em seguida, a amostra vítrea dopada foi submetida a tratamentos térmicos, os quais permitem a difusão controlada dos íons de Zn2+e Te2-, na matriz vítrea, fazendo com que se tenha um sistema com nanocristais de ZnTe que apresentem características típicas de confinamento quântico, ou seja, que sejam considerados pontos quânticos. As amostras dopadas com 1,0 Te (% wt) foram submetidas a um tratamento térmico de 480ºC por 0, 2, 4, 6 e 8h, visando o crescimento de nanocristais de ZnTe. Já para o crescimentos de nanocristais de Zn1-xAxTe (A = Mn, Co, para x =
0; 0,1; 0,5; 1,0; 5; 10 % de Zn), submeteu-se as amostra dopadas a 450oC por 20 horas. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A partir de análises dos espectros de AO, foi possível acompanhar a cinética de crescimento dos nanocristais semicondutores de ZnTe e Zn1-xAxTe (A= Mn, Co). A espectroscopia Raman
comprovou a presença de estruturas nanocristalinas de ZnTe nas amostras vítreas dopadas com ZnTe. Cristais do semicondutor ZnTe possuem vários picos característicos, correspondentes a
modos normais de vibração de sua estrutura, ou fônons. Dentre esses vários modos normais de vibração do ZnTe, destacam-se quatro picos característicos em torno de 214 cm-1, 326 cm-1,428 cm
-1
e 683 cm-1[1].
As Figuras 1 e 2 mostram, respectivamente, os espectros AO e Raman do sistema vítreo PZABP dopado com 1,0 Te (% wt) submetido a um tratamento térmico de 480ºC por intervalos de tempo crescentes. Nos espectros AO observa-se que os tratamentos térmicos favoreceram o crescimento de dois grupos: um de nanocristais de ZnTe com propriedades de confinamento quântico, devido ao deslocamento da primeira banda que inicia em torno de 400 nm para comprimentos de ondas maiores com o aumento do tempo de tratamento térmico, e outro de ZnTe bulk, devido à segunda banda em torno de 530 nm, aparentemente, não se deslocar para comprimentos de ondas maiores, ou seja, não apresentam propriedades de confinamento quântico. Observa-se na Figura 2 que os picos formados no espectro Raman de ZnTe “bulk” correspondem aos mesmos picos formados nos espectros Raman da matriz dopada com 1,0% de Te “bulk”, porém com intensidades diferentes. De acordo com a literatura [1], os picos centrados em 218, 429 e 655
cm-1 correspondem aos modos vibracionais do ZnTe. Isto dá mais um forte indício da formação
nanocristais de ZnTe na matriz vítrea PZABP.
Figura 1. Espectros de AO obtidos a temperatura ambiente do sistema vítreo PZABP dopado com 1,0Te (% wt), tratado a 480°C por 0, 2, 4, 6 e 8h.
300 400 500 600 700 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 A b so rb ân ci a (u .a .) Comprimento de Onda(nm) PZABP:0h Tratamento Térmico a 480ºC por: 0h 2h 4h 6h 8h Energia (eV) 4,1 3,1 2,5 2,1 1,8
PZABP (mol %)+ 1,0Te bulk (% wt)
100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 In tensid ade Raman (u .a .) Número de Onda (cm-1) PZABP:2h ZnTe bulk Tratamento Térmico a 480º por: 2h 4h 6h 8h Comprimento de Onda (nm) 100000 50000 33333 25000 20000 16667 14286 12500 217cm-1 428 cm-1 655cm-1 429 cm-1 652 cm-1 218 cm-1 323 cm-1 325 cm-1
Figura 2. Espectros Raman obtidos a temperatura ambiente do sistema vítreo PZABP dopado com 1,0Te (% wt), tratado a 480°C por 0, 2, 4, 6 e 8h. Fonte de excitação: 514,5nm.
Observa-se na Figura 3 que os espectros de absorção óptica (AO) da matriz vítrea PZABP apresentaram uma grande região de absorção (< 270 nm), característica de matrizes vítreas a base de fosfato. Assim, as bandas de AO que aparecerem na região (> 270 nm) quando a matriz estiver dopada com íons de Te2- ou Te2- e Mn2+ ou Co2+, será, respectivamente, devido à formação de nanocristais de ZnTe, Zn1-xMnxTe ou Zn1-xCoxTe, ou de outros materiais que contenham
precursores na matriz vítrea para a formação dos mesmos.
A matriz dopada com 1,0 Te (% wt) apresenta duas bandas de absorção: uma que se inicia em torno de 340 nm, como observado na Figura 3-b, e se desloca para comprimentos de onda maiores com o aumento da concentração de Mn ou Co; e outra centrada em torno de 530 nm, que, aparentemente, não muda de posição. O aumento da concentração de Mn ou Co indica que a energia do gap tende para o MnTe ou CoTe. Isto dá um forte indício que o Mn ou Co está sendo incorporado no nanocristal de ZnTe.
Figura 3. Espectros de AO do sistema vítreo PZABP e de nanocristais de ZnTe dopado com diferentes concentrações de Mn ou Co , submetido a 450ºC por 20 horas: PZABP sem dopantes
PZABP
(a)
4,1 3,1 2,5 2,1 1,8
Curva experimental ajuste gaussiano: vidro ajuste gaussiano:ZnTe ajuste gaussiano:ZnTe bulk soma dos ajustes gaussianos
340nm (3,65 eV) 533nm (2,32 eV)
(b)
Energia (eV) 4,1 3,1 2,5 2,1 1,8 Curva experimental ajuste gaussiano: vidro ajuste gaussiano:Zn0,999Mn0,001Teajuste gaussiano:ZnTe bulk soma dos ajustes gaussianos
345,45nm(3,58eV) 534nm(2,32eV)
(c)
curva experimental ajuste gaussiano: vidro ajuste gaussiano: Zn0,95Mn0,05Te ajuste gaussiano:ZnTe bulk soma dos ajustes gaussianos410,69nm (3,02eV) 532,29nm (2,32eV)
(d)
200 300 400 500 600 700 Curva experimental
ajuste gaussiano: vidro
ajuste gaussiano:Zn0,95Co0,05Te
ajuste gaussiano: ZnTe bulk Soma dos ajustes gaussianos
(f)
350nm (3,54 eV) 566 nm (2,19 eV) Comprimento de Onda (nm) 200 300 400 500 600 700 Curva experimental Ajuste gaussiano: vidro Ajuste gaussiano:Zn0,999Co0,001Te Ajuste gaussiano: ZnTe bulk Soma dos ajustes gaussianos342nm (3,63eV) 533nm (2,32eV)
(e)
(a); PZABP+1,0Te (%wt PZABP) (b); PZABP+ 1,0Te(%wt PZABP)+0,1Mn (%wt Zn) (c); PZABP+1,0Te (%wt PZABP)+5,0Mn (%wt Zn) (d); PZABP+1,0Te (%wt PZABP)+0,1Co (%wt
Zn) (e); PZABP+1,0Te (%wt PZABP)+5,0Co (%wt Zn) (f). 4. CONCLUSÕES
O “red shift“ observado nos espectros de AO é devido ao efeito de confinamento quântico presente nos nanocristais de ZnTe. Este resultado é comprovado a partir dos picos Raman que correspondem aos modos vibracionais do ZnTe. O “red shift“ observado, quando o sistema vítreo PZABP é dopado com Te e Mn ou Co, é devido o aumento da concentração de Mn ou Co, em que a energia do gap tende para o MnTe ou CoTe.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem as agências promotoras: CNPq e FAPEMIG pelo apoio financeiro. 6. REFERÊNCIAS
[1]
CAMACHO, J. et al. 2002, “Raman spectroscopy and photoluminescence of ZnTe thin films grown on GaAs”, Journal of Applied Physics.
[2]
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[3]
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and Te+ Ions”, Catalysis Today, v.113, p. 215-219.
[4]
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[5]
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[6]
JO, M. et al.2007, “Luminescence Study on Evolution From Te Isoeletronic Centers to Type-II ZnTe Quantum Dots Grown by metalorganic Molecular-beam Epitaxy”, Journal of Crystal Grownt, p. 301-302.
[7]
RODRIGUES, Daniel Henrique, 2006, “Estudo das Propriedades Ópticas e Estruturais de Nanocristais de MnTe em Vidros Óxidos, Dissertação de Mestrado apresentada na Universidade Federal de Uberlândia, p.10.
[8]
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[9]
VIALE, Y., 2003, “Excitonic Dynamics in CdTe/ZnTe, quantum dots. Materials Science and Engineering” B101, p. 55-59.
GROWTH, CHARACTERISATION AND STUDY OF QUANTUM DOTS OF
ZnTe AND Zn
1-XA
XTe (A=Mn, Co) IN VOTREOUS MATRIX AND IN
COLLOIDAL SOLUTIONS
Alessandra dos Santos Silva1
Instituto de Física, Universidade Federal de Uberlândia.
Laboratório de Novos Materiais Isolantes e Semicondutores - LNMIS C.P.593, CEP. 38400-902, Uberlândia-MG, Brazil
E-mail:[email protected]
Noelio Oliveira Dantas2
E-mail: [email protected]
Abstract: In this research summed up the system vitreous PZABP (P2O5 - ZnO - Al2O3 - BaO-PbO) dopedy with Te "bulk" aimed at the growth of nanocrystals of ZnTe. Synthetized is also
nanocrystals of Zn1-xAxTe (A = Mn, Co), which are quantum dot semimagnetcs. There were
absorption spectra of Optics (AO) and Raman at room temperature. In the spectra of the bands moving up to a wavelength greater as the doped samples were subjected to heat treatment by increasing intervals of time, giving evidence of the growth of nanocrystals. It was found that the band centred around 400 nm moves to greater lengths of waves against time of heat treatment, this gives a strong indication of the formation and growth of semiconductor quantum dots of ZnTe and semimagnetcs of Zn1-xMnxTe and Zn1-xCoxTe vitreous PZABP in the system, to have properties of quantum confinement. Already the band, the centred around 530 nm does not move when the system vitreous PZABP doped is submitted to the same conditions of heat treatments, which can be attributed to nanocrystals with corresponding material properties of the "bulk". The Raman spectra of the samples containing as much as quantum dot nanocrystals of ZnTe, bands have centred around 217, 428 and 655 cm-1, using the line 514 , 5 nm in an argon laser, as a source of
excitement. These peaks show the formation of both quantum dot nanocrystals as ZnTe bulk of the
system vitreous PZABP.
Keywords: Quantum Dots of ZnTe, Nanocrystlas of ZnTe, Optical Absorption, Raman.
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Academic Course< Physics > 2
