Artigo em destaque: Medidas de luminescência para identificar defeitos de filmes finos de óxido de zinco.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:

Fernando Stavale, Niklas Nilius, and Hans-Joachim Freund. STM Luminescence Spectroscopy of Intrinsic Defects in ZnO(0001̅) Thin Films. J. Phys. Chem. Lett., 2013, 4 (22), pp 3972–3976. DOI: 10.1021/jz401823c.

Texto de divulgação: Medidas de luminescência para identificar defeitos de filmes finos de óxido de zinco.

O óxido de zinco (ZnO) é um material muito presente na vida cotidiana. Pode ser encontrado em parafusos, em protetores solares,em catalisadores para a síntese de metanol e em dispositivos optoeletrônicos sofisticados, como telas flexíveis para computadores, citando apenas alguns exemplos. Entretanto, para viabilizar algumas aplicações promissoras, como transistores e novos dispositivos, é importante controlar as propriedades elétricas desse semicondutor, as quais estão relacionadas com defeitos pontuais na sua estrutura atômica.

Nesse contexto, três cientistas ligados a instituições da Alemanha e do Brasil realizaram uma identificação dos defeitos pontuais de filmes de óxido de zinco por meio de uma abordagem original, aproveitando a capacidade luminescente (emissão de luz não provocada pelo aquecimento do material) do óxido de zinco. Os pesquisadores prepararam filmes finos de óxido de zinco com diferentes tipos e quantidades de defeitos pontuais. Sistematicamente, os cientistas foram medindo a luminescência de cada um dos filmes e, dessa maneira, conseguiram relacionar picos nas medidas de emissão com diversos tipos de defeitos na rede cristalina. Os resultados do trabalho foram publicados no periódico The Journal of Physical Chemistry Letters (JPCL).

“Neste estudo, crescemos filmes ultrafinos de óxido de zinco de alta qualidade e alteramos a quantidade de defeitos pontuais utilizando desorção térmica, foto-desorção induzida por laser e redução por tratamentos em atmosfera controlada de hidrogênio”, detalha Fernando Stavale, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF)que assina o artigo como primeiro autor.

A técnica de caracterização

Para realizar os experimentos, os cientistas utilizaram um microscópio de varredura por tunelamento (STM, na sigla em inglês) em ultra-vácuo com algumas particularidades destinadas à gerar a luminescência, coletar os fótons emitidos e obter as medidas (os espectros) de luminescência. Com essa configuração, o STM é chamado de fóton-microscópio de tunelamento. De acordo com Stavale, um dos grandes expoentes no desenvolvimento e aplicação dessa técnica é o professor Niklas Nilius, autor para correspondência do artigo do JPCL com quem Stavale trabalhou diretamente durante três anos em seu pós-doutorado no Instituto Fritz-Haber da Sociedade Max-Planck, em Berlim, mais precisamente no departamento de Física Química liderado pelo professor Hans-Joachim Freund, último autor do artigo do JPCL. “O fóton-microscópio de tunelamento tem sido empregado de forma pioneira na caracterização de óxidos metálicos no departamento dirigido pelo professor Freund”, comenta Stavale. “A técnica ainda é pouco utilizada no Brasil e é parte fundamental dos projetos que desenvolvo atualmente no meu grupo de pesquisa no CBPF, localizado no Rio de Janeiro”, finaliza.

Uma característica fundamental do fóton-microscópio de tunelamento é a utilização dos elétrons emitidos pela ponta do STM para excitar as amostras e, no caso do óxido de zinco, gerar a luminescência desejada. Esse fenômeno de emissão de luz gerada pelo impacto de elétrons sobre o material é chamado de catôdo-luminescência.

Esquema do experimento, no qual pode ser observada, na foto, a ponta do microscópio de tunelamento excitando o filme de óxido de zinco. O gráfico inserido mostra um espectro de câtodo-luminescência do óxido. Ao fundo, a imagem de microscopia de tunelamento de um filme de óxido de zinco com espessura de 20 camadas (~5 nm), mostra degraus monoatômicos e defeitos pontuais contidos na superfície do filme. As vacâncias de oxigênio e zinco, defeitos pontuais, correspondem às áreas indicadas pelas setas. As áreas escuras com forma hexagonal correspondem a regiões onde o filme é descontínuo com profundidade de até 8 camadas atômicas.

Esse trabalho sistemático permitiu aos cientistas afirmar que alguns picos dos espectros de luminescência do óxido de zinco são devidos a defeitos como vacâncias de oxigênio e de zinco (pontos da rede cristalina nos quais, no lugar dos átomos de oxigênio ou zinco que seriam esperados, existem “vagas”). “Esses defeitos pontuais estão relacionados às propriedades elétricas geralmente observadas no óxido de zinco, como dopagem do tipo-n”, acrescenta Stavale.

O contexto do trabalho

Os experimentos do artigo no JPCL foram concebidos e realizados pelo brasileiro Fernando Stavale em 2012 durante seu último ano de pós-doutorado no grupo do professor Nilius, no no Instituto Fritz-Haber da Sociedade Max-Planck. Stavale chegou a esse grupo em 2010 com uma bolsa da Fundação Humboldt, da Alemanha. “Em um período de três anos investigamos pela primeira vez o papel de diversos dopantes, como cromo, európio e lítio em óxidos de magnésio e zinco, combinando filmes ultrafinos crescidos em ultra-alto vácuo com microscopia de tunelamento e catôdo-luminescência local”, conta Stavale sobre seus estudos do pós-doutorado.

A interpretação dos resultados e a redação do artigo do JPCL foram realizados em 2013, quando Fernando Stavale já havia assumido seu cargo de pesquisador no CBPF e Niklas Nilius, sua posição de professor na Universidade de Oldenburgo, na Alemanha.