Propriedades morfológicas, estruturais e ópticas de filmes de Bi2Se3 eletrodepositados em diferentes substratos

Abstract

O seleneto de bismuto (Bi2Se3) é um material promissor para aplicações tecnológicas em função de sua estrutura cristalina e propriedades físicas. Bi2Se3 na estrutura ortorrômbica é um candidato com grande potencial para aplicações em dispositivos fotossensíveis e termoelétricos, ao passo que a estrutura romboédrica é desejada em função de suas propriedades topológicas. Neste trabalho, uma abordagem sistemática para o crescimento de filmes de Bi2Se3 em diferentes substratos foi realizada por meio da técnica de eletrodeposição. Para isto, foram realizados crescimentos em substratos de cromo (Cr), ITO, ouro (Au) e silício (Si) em diferentes condições, seguida das caracterizações estruturais, morfológicas e ópticas. O crescimento das amostras nos substratos de Cr, ITO e Au foram realizados com a finalidade de analisar o efeito do aquecimento do eletrólito nas características e propriedades dos filmes depositados em substratos condutores. As deposições no substrato de Si, por sua vez, foram realizadas em eletrólitos com diferentes concentrações dos precursores com o objetivo de analisar o efeito do eletrólito nas características dos filmes e sua influência na geração e estabilidade do sinal de fotocorrente. Os resultados indicaram que é possível obter filmes de Bi2Se3 com diferentes morfologias e estruturas cristalinas por meio do ajuste dos parâmetros de deposição e uso de diferentes substratos, com valores de gap de energia que variam de 1 até 1,60 eV, correspondendo à uma excelente faixa para aplicação em dispositivos fotossensíveis. Estes resultados demonstram o potencial da técnica de eletrodeposição para o crescimento de Bi2Se3, podendo ser empregada para crescimento de filmes semicondutores visando aplicações fotovoltaicas.

Abstract: Bismuth selenide (Bi2Se3) is a promising material for technological applications due to its crystalline structure and physical properties. Bi2Se3 in the orthorhombic structure is a candidate with great potential for applications in photosensitive and thermoelectric devices, while the rhombohedral structure is desired due to its topological properties. In this study, a systematic approach for the growth of Bi2Se3 films on different substrates was performed using the electrodeposition technique. Growth was performed on Cr, ITO, Au, and silicon (Si) substrates under different conditions, followed by structural, morphological, and optical characterizations. The growth of samples on Cr, ITO, and Au substrates was performed to analyse the effect of electrolyte heating on the characteristics and properties of films deposited on conductive substrates. The depositions on the Si substrate were carried out in electrolytes with different concentrations of precursors to analyze the effect of the electrolyte on the characteristics of the films and its influence on the generation and stability of the photocurrent signal. The results indicated that it is possible to obtain Bi2Se3 films with stoichiometry close to ideal, with different morphologies and crystalline structures by adjusting the deposition parameters and using different substrates, with energy gap values ranging from 1 to 1.60 eV, corresponding to an excellent range for application in photosensitive devices. These results demonstrate the potential of the electrodeposition technique, which can be used to grow semiconductor films for photovoltaic applications.