Preparación y caracterización de óxido hierro bismuto co-dopado con manganeso y cobre (BiFe0.94Mn0.04Cu0.02O3) para aplicaciones tecnológicas - Miranda Pittí, Héctor Sabas; Ching Prado, Eleicer Antonio (Panamá : Universidad Tecnológica de Panamá, 2024)
Películas delgadas de Bi e0, (BFO) co-dopadas con manganeso (Mn) y cobre (Cu) fueron depositadas sobre sustratos de FTO/vidrio utilizando la técnica de deposición por giro (spin-coating). La estequiometría utilizada fue BiFe0.94Mn0.04Cu0.02O3, asegurando una proporción adecuada de los elementos para estudiar los efectos del co-dopaje en las propiedades fisicoquímicas de las películas. Las películas se fabricaron con diferentes espesores, variando el número de Capas de 1, 3, 5, 10 y 15. Además, se fabricó una muestra de BFO puro con 15 capas, para poder cuantificar los efectos del co-dopaje sobre el material. Los análisis de difracción de rayos X (XRD) revelaron que el co-dopaje y el incremento del espesor mejoraron significativamente la cristalinidad, evidenciando una transición de una estructura mixta R3c-P1 en las películas más delgadas a una estructura predominantemente R3c en las más gruesas. Las imágenes de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) mostraron un aumento en el tamaño de grano y una mejor adherencia con el incremento del número de capas, sugiriendo una mejor nucleación y crecimiento de los granos. Los espectros Raman indicaron una reducción los defectos estructurales y la aparición de una banda de Jahn-Teller en las muestras co-dopadas, lo que sugiere distorsiones adicionales en la estructura del Fe06 debido al co-dopaje. Los análisis de XPS confirmaron estados de oxidación estables para Bi, Fe, Mn y Cu en las películas co-dopadas, con una reducción significativa en los defectos de oxígeno. Las mediciones de histéresis (P-E) mostraron una mejora en la polarización remanente (Pr) con el aumento del número de capas, alcanzando un valor de 1.1208 HC/cm2 en la película de BFMCO15 la cual es significativamente mayor que el valor de 0.0215 HC/cm2 correspondiente a la muestra de BFO15. Se observó una ampliación en el campo coercitivo (Ec) de 75.73 kV/cm en BFO15 a 508.32 kV/cm en BFMCO15, indicando una mejor alineación de los dominios ferroeléctricos y en consecuencia una mejor estabilidad estructural. En cuanto a las propiedades ópticas, las películas co-dopadas mostraron una transmitancia ligeramente menor en el rango visible, atribuida a una mayor absorción de luz por la introducción de dopantes. El ancho de banda prohibida mostró una reducción con el aumento del número de capas y el co-dopaje, observándose un cambio de 2.34 eV a2.32 eV en las muestras de BFO15 y BFMCO15 sugiriendo una mayor interacción entre los dopantes y la matriz de BFO. Además, el coeficiente de absorción y el índice de refracción variaron significativamente en el rango de 200 a 800 nm. Los resultados demuestran que tanto el co-dopaje con Mn y Cu, como el control del espesor son estrategias efectivas para mejorar las propiedades de las películas de BFO para diversas aplicaciones tecnológicas. Palabras claves: Absorción, BiFeO3, co-dopaje, cristalinidad, Difracción de Rayos X, Espectroscopía Raman, ferroeletricidad, Mn y Cu, películas delgadas, transmitancia.
Thin films of BiFeO3 (BFO) co-doped with manganese (Mn) and copper (Cu) were deposited on FTO/glass substrates using the spin-coating technique. The stoichiometry used was BiFe0.94Mn0.04Cu0.02O3, ensuring an appropriate proportion of elements to study the effects of co-doping on the physicochemical proporties of the films. The films were fabricated with different thicknesses, varying the number of layers from 1,3,5,10, and 15. Additionally, a pure BFO sample with 15 layers was fabricated to quantify the effects of co-doping on the material X-ray diffraction (XRD) analyses revealed that co-doping and increased thickness signifixantly improved crystallinity, shoing a transition from a mixed R3c-P1 structure in the thinner films to a predominant R3c structure in the thicker ones. Scanning Electron Microscopy (SEM) images showed an increase in grain size and better adhesion with an increased number of layers, suggesting improved nucleation and growth of the grains. Raman spectra indicated a reduction is structural defects and the appearance of a Jahn-Teller band in the co-doped simples, suggesting additional distorrtions in the FeO6 structure due to co-doping. XPS analyses confirmed stable oxidation states for Bi, Fe, Mn, and Cu in the co-doped films, with a significant reduction in oxygen defects. Hysteresis (P-E) measurements, showed an provement in remanent polarization (Pr) with an increasing number of layers, reaching a value of 1.1208 HC/cm2 in the BFMCO15 film, which is significantly higher than the value of 0.0215 HC/cm2 corresponding to the BFO15 sample. An increase in the coercive field (Ec) 75.73 kV/cm in BFO15 to 508.32 kV/cm in BFMCO15 was observed, indicating better alignment of the ferroelectric domains and consequently better structural stabilty. Regarding optical properties, the co-doped films showed slightly lower transmittance in the visible range, attributed to greater light absorption due to the introduction of dopants. The band gap showed a reduction with the increasing number of layers and co-doping, with a shift observed from 2.34 eV to 2.32 eV in the BFO15 and BFMCO15 samples, suggesting greater interaction between the dopants and the BFO matrix. Additionally, the absorption coefficient and refractive index varied significantly in the range of 200 to 800 nm. The results demonstrate that both Mn and Cu co-doping, as well as thickness control, are effective strategies for improving the properties of BFO films for various technological applications. Keywords: Absorption, BiFeO3, co-doping, crystallinity, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, ferroelectricity, Mn and Cu, thin films, transmittance.
Introducción. -- Capítulo 2. Materiales y métodos. -- Capítulo 3. Modelos físicos para caracterización óptica / electrónica de películas delgadas. -- Capítulo 4. Síntesis y equipos de caracterización utilizados. -- Capítulo 5. resultados y discusión. -- Capítulo 6. Conclusiones y recomendaciones. -- Referencias. -- Apéndice.
Tesis (
Incluye referencias, hojas 208-223, apéndice, hojas 224-245.
DRECF
Héctor Sabas Miranda Pittí.
Keywords: Películas delgadas; Ferroelectricidad; Espectroscopía de Raman; Tesis y disertaciones académicas; Doctorado regional en Ciencias Físicas