Charge transport and gaz sensing peculiarities of nanocrystalline and amorphous tellurium films

Abstract

Nanocrystalline and amorphous tellurium thin films have been prepared and their both DC and AC electrical conductivity was investigated to receive the information concerning mechanisms of charge transport at different temperatures, environments and frequencies of the applied electrical field. SEM and XRD analysis have been used for structural investigation of the films but the impedance spectroscopy was applied for the transport mechanisms determination. Effect of the environment was studied by application of small concentrations of nitrogen dioxide, paying attention to both times and magnitude of response, followed by recovery of origin state after the target gas is removed. It is shown that the nanocrystalline structure of the film can be transformed into an amorphous one through growth rate increase. Such transformation however, does not affect the mechanism of charge transport up to frequencies of 105 Hz, which is due to electrical charge carriers excited above mobility band gap edges. At higher frequencies, the AC conductivity of amorphous films strongly increases with frequency increase, which is explained by transition to another transport mechanism that includes the charge carriers hopping via localized states in the gap. Both nanocrystalline and amorphous films react with nitrogen dioxide diluted in an air environment but their gas - sensing parameters differ. Results are explained in terms of interaction between gas molecules and lone – pair electrons of tellurium atoms influenced by roughness (compactness) of the films disturbed at disordering (amorphisation) increase.

Peliculele subțiri de telur nanocristalin și amorf au fost crescute și studiate pentru a obține informație referitoare la mecanismul de transport al sarcinii electrice. În acest scop a fost studiată electroconductivitatea atât la curent continuu (DC) cât și la cel alternativ (AC), la diferite temperaturi și frecvențe ale câmpului electric aplicat în diverse medii gazoase. Analiza structurală și de fază a peliculelor a fost realizată utilizând microscopia electronică de baleiaj (SEM) și difracția razelor X (XRD), iar spectroscopia de impedanță a fost aplicată pentru elucidarea mecanismelor de transport al sarcinii electrice. Influența mediului ambiant a fost studiată prin aplicarea unor concentrații mici de dioxid de azot, acordând atenție amplitudinii și timpului de răspuns, precuum și celui de recuperare a stării inițiale după eliminarea gazului țintă. A fost demonstrat că mărirea vitezei de creștere aduce la transformarea structurii peliculei de la cea nanocristalină la una amorfă. Această transformare însă nu afectează mecanismul de transport al sarcinii la frecvențe de până la 105 Hz, care se datorează purtătorilor de sarcină electrică excitați deasupra marginii de sus a benzii de mobilitate. La frecvențe mai înalte, conductivitatea la curent alternativ a peliculelor amorfe crește brusc odată cu creșterea frecvenței, ceea ce se explică prin trecerea la un alt mecanism de transport, care include salturi prin stări localizate în banda interzisă. Ambele tipuri de peliculele, nanocristaline și amorfe reacționează cu dioxidul de azot diluat în aer, însă parametrii senzoriali ai lor diferă. Rezultatele au fost explicate prin interacțiunea dintre moleculele de gaz adsorbite și perechile de electroni solitari ai atomilor de telur, influențată de perturbarea rugozității (compactitatii) suprafeței peliculelor la trecerea lor în starea amorfă.