Conceito de elemento de fase feneralizado aplicado à espectroscopia de impedância da interface Si-n (100)/eletrólito

Abstract

Interfaces semicondutor/eletrólito possuem grande relevância por possibilitarem inúmeras aplicações, como as baterias, dispositivos fotoeletroquímicos, células combustíveis, sensores, células solares, entre outros. No entanto, a compreensão de fenômenos físico-químicos que ocorrem na interface permanece como um dos grandes desafios desse campo interdisciplinar. Esta tese propõe uma metodologia de análise de espectros de impedância baseada no conceito de elemento de fase generalizado (gpe), que transforma diretamente os dados impedimétricos em espectros de capacitância, sem o uso de modelos. Para validar o método experimentalmente, foram realizadas medidas de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) em eletrodo de silício do tipo n (100). Foi possível obter espectros capacitivos bem definidos na região de depleção, mostrando que a metodologia recupera resultados observados na literatura pelo método tradicional. Adicionalmente, a análise gpe permitiu obter resultados mais robustos, como descrever a região de acumulação do Si-n, caracterizar processos e reações superficiais, diferenciar efeitos faradaicos de efeito de borda, estudar a dupla camada, a distribuição do potencial na interface, a contribuição dipolar e os estados de superfície. Portanto, a metodologia proposta auxilia análises em interfaces semicondutor/eletrólito, sendo uma importante contribuição para as áreas de eletroquímica, ciência de materiais e física de semicondutores.<br>

Abstract: Semicondutor/electrolyte interfaces are of great relevance, as basis for countless applications, in batteries, photoelectrochemical devices, fuel cells, sensors and solar cells. However, a full understanding of the physicochemical processes that occur at the interface still remains one of the great challenges in this interdisciplinary theme. This thesis proposes a model-free method for analysis of electrochemical impedance spectra, based on the concept of a generalized phase element (gpe analysis), which translates impedimetric data directly into capacitance spectra. As experimental validation, electrochemical impedance measurements on n-Si (100) electrodes were performed. Gpe analysis yielded well defined capacitive plateaus in the depletion region, identical to the ones obtained by the traditional method. Furthermore, robust results were also obtained in the accumulation region, enabling the detection and characterization of surface recombination processes, the decoupling of border size effects and faradaic processes, the determination of the electric double layer capacitance, the dipolar contribution and the density of surface states. Therefore, it is expected that the proposed methodology will be a valuable tool in the fields of electrochemistry, materials science and semiconductor physics