Neste trabalho foram realizados e estudados tratamentos superficiais sobre óxidos transparentes condutivos (TCOs) depositados sobre vidro, cuja aplicação ou finalidade é a montagem de dispositivos poliméricos eletroluminescentes. A principal intenção da utilização destes processos é diminuir a tensão de limiar e também aumentar a luminância desses dispositivos, sem interferir na transmitância original dos filmes. Três diferentes técnicas de tratamentos superficiais foram utilizadas: (a) Plasma de oxigênio; (b) Água-régia e (c) UV-Ozônio. Neste último processo, um reator foi montado utilizando uma lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão (tipo alta intensidade de descarga), sem o bulbo externo para fornecer a disponibilidade de radiação UV para a obtenção de ozônio a partir do ar atmosférico. Este reator com baixo custo e fácil manuseio foi montado para realizar um processo alternativo comparado aos dois processos anteriormente citados (Plasma de oxigênio e Água-Régia) e constitui o principal foco, comparando a partir de resultados experimentais obtidos por dispositivos montados, utilizando diferentes TCOs. Foi possível confirmar que o procedimento a partir do UV-Ozônio é reprodutível, pois pode substituir com vantagens as outras duas técnicas que apresentam custo mais elevado ou que exige manuseio especial. Pela utilização de diferentes períodos de tratamento como a única variável, nas condições estabelecidas durante os experimentos, foi mantida uma amostra sem tratamento para comparação em cada resultado obtido. Em comparação aos outros tratamentos, a técnica de UV-ozônio apresentou reprodutibilidade. Neste caso, verificamos que houve eliminação de contaminantes indesejáveis como carbono e hidrocarbonetos detectadas pela técnica de DRIFT (Diffuse Reflectance Infra-Red Fourier Transformed) e melhor espalhamento de polímero (PEDOT:PSS) sobre a superfície através da técnica de ângulo de contato foi observado. Para os filmes de ITO e FTO o período ótimo foi observado durante 5 minutos e para o ZnO, durante 15 minutos. Os resultados das medições de resistência de folha, espessura e efeito Hall, não revelaram significantes modificações. Revelando que as superfícies foram influenciadas apenas atomicamente ou molecularmente. / In this work superficial treatment on transparent conductive oxides (TCOs) were carried out and studied by application or finality for the assembly of electroluminescent polymeric devices. The mean intention by use of these processes is to decrease the threshold voltage and also increase the luminance of the devices, without interfering in the original TCOs transmittances. Three different treatment techniques were used: (a) oxygen plasma; (b) aqua regia and (c) UV-ozozne. In the he last one, a reactor was assembled using a high-pressure mercury vapor lamp (high intensity discharge lamp type) without outer bulb to provide the available UV radiation to obtain ozone from atmospheric air. This reactor with low cost and easy handle was mounted to accomplish an alternative process compared by other (oxygen plasma and aqua regia) and it has the main focus of this work compared from experimental results obtained by mounted devices using different TCOs. It was possible to confirm that the procedure from the UV-Ozone is reproducible, because it can replaced with advantages the other techniques that have expansive costs or special handling. The use of different treatment times as only variable on the imposed condition in the experiments, a sample was reserved without treatment for comparison during each obtained result. In comparison with other treatments the UV-Ozônio presented reproducibility. In this case was verified the undesirable contaminants eliminated as carbon and hydrocarbon and detected by DRIFT (Diffuse Reflectance Infra-Red Fourier Transformed) technique and better scattering of polymer (PEDOT:PSS) on surface by contact angle was observed. For ITO and FTO films the optimum period was observed during 5 minutes and ZnO during 15 minutes. The measurements results of sheet resistance, thickness and Hall effect revealed no significant changes confirming that the surfaces were influenced only atomically or molecularly only.

Cette thèse rapporte l’étude des propriétés de films transparents conducteurs obtenus à partir de dispersions de nanotubes de carbone. La formulation des dispersions représente une étape clé dans le but d’obtenir des films homogènes avec de bonnes propriétés électro-optiques. Plus particulièrement, la création d’interactions attractives en solution entre les nanotubes de carbone permet d’une part de modifier le comportement rhéologique des dispersions et d’améliorer leur dépôt en couche mince par enduction. D’autre part, les travaux présentent une étude concernant l’influence des interactions sur la structuration du réseau de nanotube de carbone qui constitue les films. Ces changements de structuration sont notamment mis en parallèle avec les propriétés électriques des films selon leur épaisseur. L’utilisation de polymères semi-conducteurs a aussi fait l’objet de travaux expérimentaux pour améliorer la formation et les propriétés des films transparents conducteurs. / This thesis reports the study of the properties of transparent conductive films obtained from carbon nanotube dispersions. The dispersion formulation is a key step in order to obtain uniform films with good opto-electrical properties. In particular, the formation of attractive interactions between dissolved carbon nanotubes allows the modification of the rheological behavior of the dispersions and the improvement of their deposition in thin layer by coating. Also, the influence of the interactions on the carbon nanotube network morphology is presented. The structural changes of the networks are then related to both electrical properties and thickness of the films. Finally, the use of semiconducting polymers was analyzed in order to improve the fabrication and the properties of transparent conductive films.

Submitted by PPG Engenharia e Tecnologia de Materiais (engenharia.pg.materiais@pucrs.br) on 2018-08-23T14:01:45Z No. of bitstreams: 1 Sandro Fernandes Firmino_TESE.pdf: 4757608 bytes, checksum: 52ddad6a85c21dfa1d36627079848e04 (MD5) / Approved for entry into archive by Sheila Dias (sheila.dias@pucrs.br) on 2018-08-27T11:21:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Sandro Fernandes Firmino_TESE.pdf: 4757608 bytes, checksum: 52ddad6a85c21dfa1d36627079848e04 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-27T11:37:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sandro Fernandes Firmino_TESE.pdf: 4757608 bytes, checksum: 52ddad6a85c21dfa1d36627079848e04 (MD5) Previous issue date: 2018-08-20 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / This work proposes the development of a low cost protocol for the production of TCNTs based on silver nanowires (AgNWs) on rigid substrates, and the improvement of the deposition technique to obtain a higher layer homogeneous, aiming at the optimization of its optical and electrical properties. For this, silver nanowires with length and diameter control were produced, aiming to evaluate the influence of these parameters on the optical and electrical properties of TCTFs. The effects of thermal annealing on the morphology of AgNWs networks and on the electrical and optical properties of TCTFs were also investigated. Studies were carried out to improve the deposition technique to obtain more homogeneous films and, as a result of this study, a new deposition technique (VMCV - Vertical Controlled Mechanical Vibration) was developed with INPI (National Institute of Intellectual Property). Silver nanowires were synthesized through the polyol process, which uses a polymer (N-vinylpyrrolidone) (PVP) as the coating agent. The prepared solutions of AgNWs were deposited on rigid substrates (glass / silicon) for analysis of topological and chemical surfaces, resulting in a random network of nanowires. The networks of AgNWs were characterized by MEV-FEG, UV-Vis, XPS and DSC-TGA techniques. The effect of thermal annealing on the AgNWs networks was investigated by means of in situ measurements of the evolution of the electrical resistances, through the technique of two tips, on a hot plate with temperature control system. Our best results exhibit an optical transparency (~ 83% at 550 nm) equivalent to commercial metal oxide thin films (indium oxide-oxide, ITO or fluoride oxide and tin oxide, FTO) and sheet resistance of ~ 23 ? / ?. / Este trabalho tem como proposta o desenvolvimento de um protocolo de baixo custo para produ??o de TCTFs (Filmes Finos Condutores Transparentes) ? base de nanofios de prata (AgNWs) sobre substratos r?gidos, e o aperfei?oamento da t?cnica de deposi??o para a obten??o de uma camada homog?nea, visando ? otimiza??o de suas propriedades ?pticas e el?tricas. Para isto, foram produzidos nanofios de prata com controle de comprimento e di?metro, visando avaliar a influ?ncia destes par?metros sobre as propriedades ?pticas e el?tricas dos TCTFs. Tamb?m foram investigados os efeitos do recozimento t?rmico na morfologia das redes de AgNWs e sobre as propriedades el?tricas e ?pticas dos TCTFs. Foram realizados estudos para o aperfei?oamento da t?cnica de deposi??o para a obten??o de filmes homog?neos e, como resultado deste estudo, desenvolveu-se uma nova t?cnica de deposi??o (VMCV- Vibra??o Mec?nica Controlada Vertical) registrada junto ao INPI (Instituto Nacional de Propriedade Intelectual). Os nanofios de prata foram sintetizados atrav?s do processo poliol, que utiliza um pol?mero (N-vinilpirrolidona) (PVP) como o agente de cobertura. As solu??es preparadas de AgNWs foram depositadas sobre substratos r?gidos (vidro/sil?cio) para an?lises de superf?cies topol?gicas e qu?micas, resultando em uma rede aleat?ria de nanofios. As redes de AgNWs foram caracterizadas pelas t?cnicas MEV-FEG, UV-Vis, XPS e DSC-TGA. O efeito do recozimento t?rmico sobre as redes de AgNWs foi investigado por meio de medi??es in situ da evolu??o das resist?ncias el?tricas, atrav?s da t?cnica de duas pontas, sobre uma chapa quente com sistema de controle de temperatura. Nossos melhores resultados exibem uma transpar?ncia ?ptica (~ 83% a 550 nm) equivalente a das pel?culas finas de ?xido de metal comercial (?xido de ?ndio-?xido, ITO ou ?xido de fl?or e ?xido de estanho, FTO) e resist?ncia de folha de ~ 23 ?/?.

O óxido de zinco é um material semicondutor que apresenta alta transparência óptica no espectro visível, alta energia de ligação de éxcitons e piezoeletricidade. Por suas propriedades, ele é utilizado na área de sensores, eletrodos transparentes e dispositivos optoeletrônicos. No entanto, sua utilização ainda é limitada pela dificuldade de obtenção de condutividade tipo p, cujo principal dopante é o nitrogênio, devido à assimetria de dopagem ocasionada por defeitos intrínsecos do material, dopagem em valências diferentes das esperadas e formação de níveis de aceitadores profundos na banda proibida. A aplicação em dispositivos piezoelétricos também exige alta resistividade e ótimas propriedades cristalinas. Muitos processos de deposição estabelecidos hoje ainda utilizam altas temperaturas, o que impede sua deposição sobre superfícies ou substratos sensíveis a altas temperaturas. O objetivo deste trabalho é desenvolver técnicas de deposição de filmes de ZnO, principalmente em baixas temperaturas ( 100°C), pelo método de magnetron sputtering de rádio frequência, para avaliar a influência dos gases de processo nas características estruturais, estequiométricas, elétricas e ópticas dos filmes. Para isso, foram obtidos filmes utilizando pressão total de argônio, e pressões parciais de argônio e oxigênio e argônio e nitrogênio, utilizando alvo cerâmico de óxido de zinco ou alvo metálico de zinco. Para alvo de ZnO, filmes com condutividade tipo n foram obtidos em ambiente de argônio, em condições que geraram deficiências de oxigênio. Filmes altamente resistivos foram obtidos com a utilização de pressão parcial de oxigênio no gás de processo, em condições que resultaram em filmes estequiométricos, inclusive com condutividade tipo p. Condutividade tipo p mais alta foi observada, apenas por ponta quente, para uma amostra obtida em argônio logo após a utilização de nitrogênio na câmara de processo, que provavelmente sofreu influência da dopagem não intencional do cobre, que foi identificado como um contaminante do processo devido à estrutura da câmara. Para alvo de Zn, observou-se a formação de nitreto de zinco, que demonstrou alta capacidade de oxidação em ambiente atmosférico, e portanto, transforma-se naturalmente ao longo do tempo ou por processos de oxidação térmica em ZnO dopado com nitrogênio. Filmes de ZnO produzidos a partir de nitreto de zinco foram os únicos dos testados que apresentaram fotoluminescência característica do ZnO, mesmo para processos onde não houve aquecimento intencional. / Zinc oxide is a multifunctional semiconductor, which presents high optical transparency in the visible range, high exciton binding energy and piezoelectricity. Due to its properties, ZnO is used in several areas, such as sensors, transparent electrodes and optoelectronics. However, its usage is still limited by the lack of p-type conductivity, which is very difficult to achieve because of intrinsic material defects, unwanted valence states of doping elements and formation of deep acceptor levels. Piezoelectric devices also demand high electrical resistivity and excellent crystallographic properties. Many current deposition processes still apply high temperatures, preventing material deposition onto temperature sensitive substrates and surfaces. The main goal of this investigation is to develop low temperature ( 100°C) deposition techniques by radio frequency magnetron sputtering, to evaluate the influence of process gases in structural, stoichiometric, electrical and optical properties. Thin films were obtained using either pure argon, argon and oxygen or argon and nitrogen partial pressures, by sputtering ceramic ZnO or metallic Zn targets. For ZnO target, n-type conductivity was achieved in argon environment, by creating oxygen deficient films. High resistivity was observed by using oxygen partial pressure, resulting in stoichiometric material and changing carrier type from electrons to holes. Higher p-type conductivity was observed, only by Seebeck measurement, for a nonintentionally heavily doped sample, as there was copper originating from the deposition chamber. For Zn target, zinc nitride formation was observed, showing high capability of transforming itself into nitrogen-doped ZnO by air exposure or thermal annealing. ZnO films produced from zinc nitride were the only ones that exhibited photoluminescence, even when there was no intentional heating involved.

Transparent conductive oxides (TCOs) are key functional materials in existing and future electro-optical devices in the fields of energy efficiency, energy generation and information technology. The main application of TCOs is as thin films transparent electrodes where a combination of maximum electrical conductivity and transmittance in the visible to nearinfrared spectral range is required. However, due to the interdependence of the optical properties and the free electron density and mobility, respectively, these requirements cannot be achieved simultaneously in degenerately doped wide band-gap oxide semiconductors. Therefore, a detailed understanding of the mechanisms governing the generation of free charge carriers by extrinsic doping and the charge transport in these materials is essential for further development of high performance TCOs and corresponding deposition methods. The present work is aimed at a comprehensive investigation of the electrical, optical and structural properties as well as the elemental composition of (Al,Ga) doped ZnO and Nb doped TiO2 thin films prepared by pulsed DC reactive magnetron sputtering. The evolution of the film properties is studied in dependence of various deposition parameters through a combination of characterization techniques including Hall-effect, spectroscopic ellipsometry, spectral photometry, X-ray diffraction, X-ray near edge absorption, Rutherford backscattering spectrometry and particle induced X-ray emission. This approach resulted in the development of an alternative process control method based on the material specific current-voltage pressure characteristics of the reactive magnetron discharge which allows to precisely control the oxygen deficiency of the sputter deposited films. Based on the experimental data, models have been established that describe the room temperature charge transport properties and the dielectric function of the obtained ZnO and TiO2 based transparent conductors. On the one hand, these findings allow the prediction of material specific electron mobility limits by identifying the dominating charge carrier scattering mechanisms. On the other hand, new insight is gained into the origin of the observed transition from highly conductive to electrically insulating ZnO layers upon the incorporation of increasing concentrations of Al at elevated growth temperatures. Moreover, the Al and Ga dopant activation in ZnO have been quantified systematically for a wide range of Al concentrations and deposition conditions. A direct comparison of the Ga and Al doping efficiency demonstrates that Ga is a more efficient electron donor in ZnO. Further, it has been shown that high free electron mobilities in polycrystalline and epitaxial Nb:TiO2 layers can be achieved by reactive magnetron sputtering of TiNb alloy targets. The suppression of rutile phase formation and the control of the Nb dopant activation by fine tuning the oxygen deficiency have been identified as crucial for the growth of high quality TiO2 based TCO layers.

Les nanostructures d'oxydes métalliques jouent un rôle essentiel dans les cellules photovoltaïques à colorants, puisque ces matériaux permettent la réalisation du contact électrique transparent en face avant et de la photoanode. L'oxyde stannique (SnO2) et l'oxyde de zinc (ZnO) ont été employés respectivement, car leurs propriétés optiques, électroniques et structurales sont particulièrement bien adaptées aux cellules solaires à colorant. Le contact électrique transparent, obtenu par pyrolyse d'aérosol, se présente sous forme d'une couche mince de SnO2 dopé par du fluor composée de grains nanométriques. Les propriétés électriques et optiques de ce composant ont été optimisées en vue de son intégration dans des cellules à colorants. Une étude approfondie du transport électronique au sein de la couche a permis de quantifier l'influence des différents mécanismes de diffusion suivant les cas considérés. La photoanode a été réalisée, directement à la surface de la couche mince de SnO2, par dépôt chimique de nanofils de ZnO à partir de précurseurs en phase vapeur. Le diamètre et la densité surfacique des nanofils sont contrôlés respectivement par les conditions de croissance et le degré d'oxydation du substrat. Les photoanodes à base de nanofils ont été intégrées dans des cellules à colorant. La limitation des performances de ces cellules est due à la faible surface développée par le ZnO qui conduit à la fixation d'une trop faible quantité de colorant à la surface de ce dernier. Afin de remédier à ce problème, des nanoparticules de ZnO ont été élaborées par bain chimique à la surface des nanofils. Les cellules solaires à base de structures composites présentent des performances supérieures à celles réalisées à partir de nanofils ou de nanoparticules. Les photoanodes composites permettent d'obtenir à la fois un transport efficace des électrons et de développer une surface importante et de ce fait, elles présentent des performances prometteuses. / Metallic oxide nanostructures play a critical role in dye-sensitized solar cells as front transparent electrodes and photoanodes. The use of stannic oxide (SnO2) and zinc oxide (ZnO) have been motivated by their particularly suitable structural, electrical and optical properties for dye-sensitized solar cells. Fluorine doped-SnO2 transparent electrodes have been deposited by spray pyrolysis in the form of thin films and consist of nanoscale grains. Their optical and electrical properties have been optimized in order to integrate them into dye-sensitized solar cells. The electron transport has been investigated in details and the influence of each scattering mechanism has quantitatively been assessed. ZnO photoanodes have directly been grown on the SnO2 surface by chemical vapor deposition in the form of nanowires. The nanowire diameter and surface density have been controlled by the growth conditions and the substrate surface oxidation, respectively. The nanowire-based photoanodes have subsequently been integrated into dye-sensitized solar cells. The relatively low efficiency of these cells has been found to be due to the small ZnO surface area, which limits the amount of dye anchored to its surface. In order to circumvent this limitation, ZnO nanoparticles have been deposited on the nanowire surface by chemical bath deposition. The nanocomposite photoanodes lead to the fabrication of dye-sensitized solar cells with promising efficiency by combining both efficient electron transport and high developed surface area.

Les oxydes transparents conducteurs (TCO) ont la rare propriété de concilier haute transparence et conductivité élevée, ce qui en fait des matériaux-clés pour de nombreuses applications requérant des électrodes transparentes comme les cellules photovoltaïques, les diodes organiques et les écrans plats. Avec une résistivité de l'ordre de 10^(-4) ohm.cm et une transmittance de 85% dans le domaine visible, l'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) est le matériau privilégié. Toutefois, sa fragilité, son instabilité aux procédés plasma et son coût croissant du fait de sa haute teneur en indium sont autant de raisons de rechercher des matériaux alternatifs. Cette thèse a pour but de comprendre les points clefs permettant d'améliorer les performances d'une électrode transparente en oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO) sur les plans optique, électrique et au niveau des interfaces ; des cellules photovoltaïques en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) servent de dispositif-test à cette étude. Réalisées par pulvérisation cathodique magnétron sous des conditions de dépôt variées, les couches minces d'AZO obtenues ont une structure microcristalline et, pour des paramètres déterminés, des performances optoélectroniques approchant celles de l'ITO. Un modèle adapté d'après la théorie de Drude a permis de rendre compte du lien entre transparence et conduction et de confirmer la saturation en porteurs du matériau. L'efficacité d'une électrode au sein d'un dispositif dépend également très fortement de l'interface entre celle-ci et l'absorbeur, les porteurs devant être extraits rapidement pour ne pas se recombiner. Quelques voies ont été explorées pour réduire la barrière de potentiel entre le silicium amorphe et l'électrode tout en favorisant l'efficacité optique des cellules. Il ressort que l'insertion d'une couche tampon d'oxyde de titane ou de tungstène permet d'obtenir un gain notable dans les performances des cellules. / Because of their unique ability to reconcile high transparency with good electrical conductivity, transparent conductive oxides (TCOs) are key materials in many applications such as organic light-emitting diodes, photovoltaic solar cells or flat displays. With its resistivity of a few 10^(-4)$ ohm.cm and its 85% transmittance in the visible range, Indium Tin Oxide (ITO) dominates the TCO market. Yet, it is brittle, unstable to plasma processes and its cost is rising due to its high indium content, encouraging research on alternative materials. This thesis aims at understanding key points to improve the performance of an aluminum-doped zinc oxide (AZO) transparent electrode on the optical, electrical and interface levels; hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) photovoltaic solar cells serve as a test device in this study. We obtain microcrystalline AZO thin films by magnetron sputtering under various deposition conditions ; for certain parameters, performances are close to ITO. An adapted model after the Drude theory allowed to account for the link between transparency and conduction and to confirm that the material is saturated by charge carriers. The effectiveness of an electrode within a device also strongly depends on its interface with the absorber layer, since the charge carriers have to be rapidely extracted in order to avoid recombination. Some ways have been explored to reduce the potentiel barrier between amorphous silicon and the electrode, still favoring optical efficiency of the cells. It appears that the insertion of a buffer layer of titanium or tungsten oxide enables a sensible improvement in the cells' efficiencies.

Les électrodes transparentes (ET) sont présentes dans de nombreux dispositifs optoélectroniques. Par exemple, on peut les trouver au sein de cellules solaires, d'écrans tactiles, d'OLEDs ou encore de films chauffants transparents. Les propriétés physiques de ces électrodes influencent l'efficacité de ces dispositifs. Les ET sont fabriquées à partir de matériaux transparents conducteurs (TCM) dont le développement a débuté dans les années 1950 notamment avec les oxydes métalliques. Parmi ces oxydes transparents conducteurs (TCO), l'oxyde d'étain-indium (ITO) est celui le plus communément utilisé dans les cellules solaires et les écrans de télévision ou de smartphones. Cependant, de nouvelles exigences telles qu'une réduction des coûts, la flexibilité et la fabrication à faible température et/ou faible coût, ont orienté les recherches vers de nouveaux TCM, notamment à base de nanostructures. Parmi ces matériaux émergents, les réseaux de nanofils métalliques, en particulier de nanofils d'argent, présentent déjà des propriétés optiques et électriques approchant celles de l'ITO, c'est-à-dire une conductivité électrique et une transparence élevées. Ces deux propriétés sont cependant intrinsèquement liées à la densité de nanofils constituant le réseau, et lorsque la conductivité augmente, la transparence diminue. Des traitements post-dépôt existent et permettent d'augmenter la conductivité électrique des ET sans changer la densité du réseau. Plusieurs de ces méthodes d'optimisation ont été étudiées pendant ce travail de thèse, en particulier le recuit thermique, analysé minutieusement afin de comprendre les différents mécanismes de réduction de la conductivité électrique induits par la température. L'examen des effets thermiques a soulevé la question de l'instabilité des nanofils en température, qui est aussi abordée et discutée dans ce document. Le paramètre clé de la densité de nanofils optimale menant au meilleur compromis entre transparence et conductivité a été recherché pour des nanofils de différentes dimensions. La taille des nanofils a en effet un fort impact sur les propriétés du réseau. Ainsi, les propriétés électriques, dans le cadre de la théorie de la percolation, les propriétés optiques comme la transmittance et le facteur de haze, et même l'instabilité thermique ont été reliées aux dimensions des nanofils ainsi qu'à la densité du réseau en utilisant des modèles physiques simples. En ce qui concerne les applications de ces ET émergentes, des études ont été menées sur l'application des réseaux de nanofils d'argent comme film chauffant transparent, et les résultats sont rapportés à la fin de ce document. Les limitations soulevées par cette application, comme les limites de stabilités électrique et thermique ont aussi été abordées. Pour finir, des études préliminaires menées sur de nouvelles applications comme des antennes transparentes ou le blindage électromagnétique transparent utilisant les nanofils d'argent sont présentées. / Transparent electrodes (TE) are used in a variety of optoelectrical devices. Among them, solar cells, flat panel displays, touch screens, OLEDs and transparent heaters can be cited. The physical properties of the TE influence the efficiency of the device as a whole. Such electrodes are fabricated from transparent conducting materials (TCM) that have been undergoing development since the 1950s, initially from metallic oxides. Among these transparent conducting oxides (TCO), indium tin oxide (ITO) is the most commonly used in solar cells, and television or smartphone screens. However requirements such as cost reduction, flexibility and low cost/temperature fabrication techniques have oriented the researches toward emerging TCM, mostly using nanostructures. Among them, metallic nanowire networks, and in particular silver nanowires (AgNW), already present optical and electrical properties approaching those of ITO, i.e. a high electrical conductivity and a high transparency. These two properties are intrinsically linked to the network density, therefore a tradeoff has to be considered knowing that when conductivity increases, transparency decreases. Some post-deposition treatments do exist, allowing an increase of the TE electrical conductivity without changing the network density. Several of these optimization methods have been thoroughly studied during this thesis work, especially thermal annealing. This method have been investigated in details to understand the different thermally-induced mechanisms of conductivity improvement. In addition, the investigation of thermal effects raised the question of thermal instability of the nanowires, which is also addressed and discussed in this document. The key issue of density optimization, allowing the best tradeoff between transparency and conductivity, has been investigated for nanowires with different dimensions. Nanowire size has a strong impact on the network properties. Thus, electrical properties, within the framework of percolation theory, optical properties such as transmittance or haziness, and even thermal instability have been linked to the nanowires' dimensions and the network density by using simple physical models. Regarding the application of these emerging TE, studies were conducted on the application of AgNWs as transparent heaters, and the results are reported at the end of the document. Limitations arising from this application, like thermal and electrical stabilities, have also been addressed. To finish, preliminary studies conducted on new applications such as transparent antennas and transparent electromagnetic shielding using AgNW are presented.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JULIA GASCHO.pdf: 2752130 bytes, checksum: ac987e92d5bc395ba52a7917285e8cf8 (MD5) Previous issue date: 2015-07-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Materiais condutores transparentes, ou CTs, são aqueles que apresentam as propriedades de elevada condutividade elétrica e transparência. Na fabricação de diversos dispositivos eletrônicos, tais como células solares, monitores de cristal líquido e telas sensíveis ao toque, esses materiais são componentes críticos, devido a não existirem muitos materiais condutores e transparentes. O óxido de índio e estanho (ITO) é o material mais utilizado como CT, devido à sua elevada condutividade elétrica e transparência. Porém, a utilização deste possui algumas desvantagens, como custo elevado e fragilidade. Devido a isto, novos materiais estão sendo estudados para a sua substituição, tais como grafeno e polímeros conjugados. Sistemas grafeno/polímero conjugado exibem, normalmente, elevada condutividade elétrica, estabilidade química e são capazes de armazenar energia. Sendo assim, este trabalho teve como objetivo produzir filmes de óxido de grafeno (OG) e óxido de grafeno reduzido (OGR), verificando a eficiência dos métodos de oxidação e redução utilizados. Também foram estudados filmes de OG e OGR com poli(3-hexiltiofeno) (P3HT), verificando as alterações nas propriedades destes após a deposição do polímero sobre os mesmos, com vistas a uma possível utilização desses sistemas como condutores transparentes. O OG foi produzido a partir da grafite pelo método de Hummers modificado e, posteriormente reduzido quimicamente, com NaBH4, ou termicamente, em forno tubular. Os filmes poliméricos foram preparados por casting a partir de uma solução de P(3HT) em clorofórmio, depositada sobre os filmes de OG. As caracterizações por ângulo de contato, FTIR, DRX, e espectroscopia de impedância comprovaram a eficiência na oxidação da grafite. Os filmes de OG produzidos se apresentaram translúcidos e semicondutores, com condutividade da ordem de 10-6 a 10-4 S/m. Foram obtidos filmes finos com uma superfície lisa e praticamente sem defeitos. Os filmes de OG apresentaram ângulo de contato com a água de 31,5 e 38,9° e tensão superficial de 63,6 e 59,2 mJ/m², o que indica a hidrofilicidade dos mesmos. Observou-se uma redução parcial do OG, tanto na redução química quanto térmica, com filmes menos translúcidos e mais condutores do que os filmes de OG (condutividade próximas à 10-3 e 10-1 S/m, respectivamente). Foram obtidos filmes de OG reduzido quimicamente finos, lisos e praticamente sem defeitos, porém, os filmes de OG reduzidos termicamente se mostraram irregulares e mais espessos. Através da redução química foram obtidos filmes hidrofóbicos, com ângulo de contato com a água acima de 90° e tensão superficial de 30,1 mJ/m². Enquanto a redução térmica produziu filmes com ângulo de contato com a água um pouco abaixo de 90° e tensões superficiais de 31,2 e 32,1 mJ/m², bem menos hidrofílicos do que os filmes de OG. A adição do filme polimérico sobre os filmes de OG não alterou significativamente as propriedades de condutividade elétrica e diminuiu minimamente a transparência destes.

O óxido de zinco é um material semicondutor que apresenta alta transparência óptica no espectro visível, alta energia de ligação de éxcitons e piezoeletricidade. Por suas propriedades, ele é utilizado na área de sensores, eletrodos transparentes e dispositivos optoeletrônicos. No entanto, sua utilização ainda é limitada pela dificuldade de obtenção de condutividade tipo p, cujo principal dopante é o nitrogênio, devido à assimetria de dopagem ocasionada por defeitos intrínsecos do material, dopagem em valências diferentes das esperadas e formação de níveis de aceitadores profundos na banda proibida. A aplicação em dispositivos piezoelétricos também exige alta resistividade e ótimas propriedades cristalinas. Muitos processos de deposição estabelecidos hoje ainda utilizam altas temperaturas, o que impede sua deposição sobre superfícies ou substratos sensíveis a altas temperaturas. O objetivo deste trabalho é desenvolver técnicas de deposição de filmes de ZnO, principalmente em baixas temperaturas ( 100°C), pelo método de magnetron sputtering de rádio frequência, para avaliar a influência dos gases de processo nas características estruturais, estequiométricas, elétricas e ópticas dos filmes. Para isso, foram obtidos filmes utilizando pressão total de argônio, e pressões parciais de argônio e oxigênio e argônio e nitrogênio, utilizando alvo cerâmico de óxido de zinco ou alvo metálico de zinco. Para alvo de ZnO, filmes com condutividade tipo n foram obtidos em ambiente de argônio, em condições que geraram deficiências de oxigênio. Filmes altamente resistivos foram obtidos com a utilização de pressão parcial de oxigênio no gás de processo, em condições que resultaram em filmes estequiométricos, inclusive com condutividade tipo p. Condutividade tipo p mais alta foi observada, apenas por ponta quente, para uma amostra obtida em argônio logo após a utilização de nitrogênio na câmara de processo, que provavelmente sofreu influência da dopagem não intencional do cobre, que foi identificado como um contaminante do processo devido à estrutura da câmara. Para alvo de Zn, observou-se a formação de nitreto de zinco, que demonstrou alta capacidade de oxidação em ambiente atmosférico, e portanto, transforma-se naturalmente ao longo do tempo ou por processos de oxidação térmica em ZnO dopado com nitrogênio. Filmes de ZnO produzidos a partir de nitreto de zinco foram os únicos dos testados que apresentaram fotoluminescência característica do ZnO, mesmo para processos onde não houve aquecimento intencional. / Zinc oxide is a multifunctional semiconductor, which presents high optical transparency in the visible range, high exciton binding energy and piezoelectricity. Due to its properties, ZnO is used in several areas, such as sensors, transparent electrodes and optoelectronics. However, its usage is still limited by the lack of p-type conductivity, which is very difficult to achieve because of intrinsic material defects, unwanted valence states of doping elements and formation of deep acceptor levels. Piezoelectric devices also demand high electrical resistivity and excellent crystallographic properties. Many current deposition processes still apply high temperatures, preventing material deposition onto temperature sensitive substrates and surfaces. The main goal of this investigation is to develop low temperature ( 100°C) deposition techniques by radio frequency magnetron sputtering, to evaluate the influence of process gases in structural, stoichiometric, electrical and optical properties. Thin films were obtained using either pure argon, argon and oxygen or argon and nitrogen partial pressures, by sputtering ceramic ZnO or metallic Zn targets. For ZnO target, n-type conductivity was achieved in argon environment, by creating oxygen deficient films. High resistivity was observed by using oxygen partial pressure, resulting in stoichiometric material and changing carrier type from electrons to holes. Higher p-type conductivity was observed, only by Seebeck measurement, for a nonintentionally heavily doped sample, as there was copper originating from the deposition chamber. For Zn target, zinc nitride formation was observed, showing high capability of transforming itself into nitrogen-doped ZnO by air exposure or thermal annealing. ZnO films produced from zinc nitride were the only ones that exhibited photoluminescence, even when there was no intentional heating involved.