Publicação: Aplicação de novos materiais em transistores de efeito de campo
ferroelétricos
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CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
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Resumo
Neste trabalho, foi feito um estudo das propriedades elétricas do polieletrólito PSS na
forma sódica (PSS-Na - poliestireno sulfônico na forma sódica), ácida (PSS-H - poliestireno
sulfônico na forma ácida) e Fe3+, com o objetivo de aplicação em transistores de efeito de
campo ferroelétrico (Fe-FET). O PSS-Na foi adquirido da Aldrich® e o PSS-H foi obtido
utilizando uma coluna de troca iônica contendo a resina catiônica Amberlite IRA-120,
também adquirido da Aldrich. O Fe(PSS)3 foi obtido adicionando Fe(OH)3 na solução de
PSS-H. Os filmes foram depositados sobre FTO (óxido de estanho dopado com flúor) com
layout do tipo JFET em substrato de vidro (BK7). A técnica de deposição utilizada foi a
casting com L da solução do material e evaporado em estufa a vácuo. Amostras foram
também processadas na forma de FTO/polieletrólito/FTO para estudo da capacitância. As
caracterizações foram realizadas através de voltametria cíclica em solução, Interferometria a
laser, corrente em função do tempo, densidade de corrente em função do campo, corrente em
função da tensão aplicando uma voltagem de gate, curva de transferência (ID x VG) com
tensão de dreno (VD) constante. Através das caracterizações elétricas realizadas pode-se notar
que a amostra de PSS-Na apresentou um valor de capacitância da ordem de 1000 vezes menor
que as outras amostras, o que lhe confere uma menor capacidade de armazenamento de carga
comparando com o PSS-H e Fe(PSS)3. O Fe(PSS)3 apresentou maior valor de permissividade
dielétrica. Somente PSS-H e o Fe(PSS)3 apresentaram comportamento ferroelétrico, sendo o
último com uma curva mais característica. O PSS-Na não apresentou processos de polarização
de dipolos, enquanto que o PSS-H e o Fe(PSS)3 apresentaram picos de polarização de dipolos
e regiões de NDR (Negative Differential Resistance). A aplicação de uma tensão de gate
negativa ocasiona um aumento significativo na corrente de dreno, enquanto que para tensões
positivas ocasionam o estreitamento do canal condutor, reduzindo a corrente de dreno. A
amostra de PSS-Na não apresentou estados on (de maior condutividade) e off (de menor
condutividade), devido a ausência de propriedades de polarização permanente. Já o PSS-H e o
Fe(PSS)3 apresentaram distinção entre os dois estados. Somente o Fe(PSS)3 apresentou
propriedade de retenção de dados. Os estados on e off do PSS-H e Fe(PSS)3 não foram
definidos para os potenciais de gate positivos devido ao fato que o dispositivo se comporta
como um transistor de junção bipolar. Este fato conduz a conclusão que os dispositivos só
funcionam como memória para tensões de gate negativo. As amostras apresentaram valores
de mobilidade baixos, conferindo a elas uma menor velocidade de resposta com a aplicação do campo elétrico externo. Finalmente, o layout trabalhado se mostrou propício para ser
utilizado em estudo de propriedades elétricas de materiais, e a amostra de Fe(PSS)3
apresentou melhores parâmetros para aplicações em dispositivos do tipo Fe-FET.
Abstract
In this work, we investigated the electrical properties of the polyelectrolyte PSS in its
sodium form (PSS-Na, Polystyrene sulfonic in the sodium form) and acid form (PSS-H,
polystyrene sulfonic in the acid form) and also doped with Fe3+ for application in
Ferroelectric Field Effect Transistors (Fe-FET). The PSS-Na was acquired from Aldrich® and
PSS-H was obtained through an ion exchange using the PSS-Na. The Fe(PSS)3 was obtained
by adding Fe(OH)3 in solution of PSS-H. The films were deposited on FTO (tin oxide doped
with fluorine) with a JFET layout-type on substrate of glass. The deposition technique used
was the casting. Samples were also processed in the form of FTO/polyelectrolyte/FTO for the
study of capacitance. The characterization was performed by cyclic voltammetry in solution,
laser interferometry, current versus time, current density versus function of electric field
applying a gate voltage, transfer curve (ID x VG) with fixed drain voltage (VD). Electrical
characterizations show that the sample PSS-Na showed capacitance values of ~ 1000 times
smaller than the other samples, which gives a smaller charge storage capacity compared with
PSS-H and Fe(PSS)3. The Fe(PSS)3 showed higher value of dielectric permittivity. Only PSSH
and Fe(PSS)3 showed ferroelectric behavior, exhibiting the former in a more characteristic
curve. The PSS-Na did not show polarization dipoles, while PSS-H and Fe(PSS)3 showed
peak polarization dipoles and NDR areas (Negative Differential Resistance). The application
of negative gate voltage (VG) causes a significant increase in the drain current (ID), while a
positive voltage causes a narrowing of the conductor channel, reducing the ID. PSS-Na did not
show on state (highest conductivity) and off state (lower conductivity) due the absence of
permanent polarization properties. However, PSS-H and Fe(PSS)3 showed distinction
between the two states. Only the Fe(PSS)3 showed the property of retention of data. The on
and off states of PSS-H e Fe(PSS)3 are not defined for positive gate voltage due the fact that
the device behaves as a Bipolar Junction Transistor. This fact lead us to believe that the
devices function as memory only for negative gate voltages. The samples showed low values
of mobility, giving them a low speed of response with application of external electric field.
Finally, the layout worked showed propitious for study of electrical properties of materials
and the Fe(PSS)3 samples showed the best parameters for applications in devices like Fe-FET.
Palavras-chave
Poliestireno sulfônico, Transistor de efeito de campo de junção, Polystyrene sulfonic acid, Field effect transistor, Poliestireno - Propriedades elétricas
Citação
SILVA, Silésia de Fátima Curcino da. Aplicação de novos materiais em transistores de efeito de campo
ferroelétricos. 2012. 105 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Exatas e da Terra) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2012. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.di.2012.334