Investigación

 

Influence of the carrier gas in the growth kinetics of TiO2 films deposited by aerosol assisted chemical vapor deposition with titanium–diisopropoxide as precursor

 

A. Conde–Gallardo*, M. Guerrero, A. B Soto, R. Fragoso, and N. Castillo

 

Departamento de Física, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, Apartado Postal 14–740, Mexico City, D.F. 07360, México.

 

* Corresponding Author.
E–mail: aconde@fis.cinvestav.mx;
fax number: (525) 5061 3386;
phone number: (525) 5061 3800 X 6168.

 

Recibido el 20 de junio de 2006
Aceptado el 5 de octubre de 2006

 

Abstract

Titanium dioxide thin films were deposited on crystalline silicon (100) substrates by delivering a liquid aerosol of titanium–diisopropoxide and by using oxygen and nitrogen as carrier gases. The crystalline and morphological features indicate that the films are deposited by a metal organic chemical vapor deposition process. This is strongly supported by the behavior of the growth rate r_g as a function of the deposition temperature, which indicates that the film formation is limited by both, the diffusion in gas phase of the precursor species to the surface substrate and reaction of those species at that surface. Even though the r_g line shape does not depend on the kind of carrier gas used to transport the aerosol, its absolute value and the activation energy E_A that characterizes the surface reaction do. A fitting procedure to an equation that takes into account both limiting mechanisms (gas phase diffusion and surface reaction) yields: E_A 26.4 kJ/mol o E_A = 21.4 kJ/mol when oxygen or nitrogen is employed as carrier gas, respectively.

Keywords: Growth mechanisms; TiO2 films; metal–organic chemical vapor deposition; spray pyrolysis.

 

Resumen

Películas de dióxido de titanio fueron depositadas mediante la liberación de un aerosol líquido de diisopropoxido de titanio sobre substratos de silicio orientados (100), y empleando oxígeno y nitrógeno como gases de arrastre. Las propiedades cristalinas y morfológicas indican que el proceso de depósito se lleva a cabo mediante los vapores químicos de los precursores. Esto es fuertemente apoyado por el comportamiento de la taza de crecimiento r_g como función de la temperatura de depósito, cuya forma de línea indica que el crecimiento esta gobernado por la difusión de los precursores en fase vapor hacia el substrato y la consecuente reacción de estos en la superficie. Aunque la forma de línea de r_g no depende del tipo de gas utilizado en el arrastre del aerosol, el valor absoluto de r_g y la energía de activación E_Aque caracteriza a la reacción superficial si. Un ajuste a una ecuación que toma en cuenta a ambos mecanismos (difusión de vapores y reacción de superficie) da como resultado: E_A 26.4 kJ/mol o E_A = 21.4 kJ/mol cuando se utiliza oxígeno o nitrógeno como gas de arrastre, respectivamente.

Descriptores: Mecanismos de crecimiento; películas de TiO2; depósito por vapores químicos; rocío porolitíco.

 

PACS: 68.43.–h; 81.15.Aa; 81.15.Gh

 

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Acknowledgments

This work was partially supported by the National Council for Science and Technology in Mexico (CONACyT 34391–E). The authors wish to thank Dr. I. Hernández–Calderón for his help in measuring film thickness and Hector Silva for his technical assistance.

 

References

1. Ulrike Diebold, Surf. Sci. Rep. 48 (2003) 53.        [ Links ]

2. T. Honda et al., Jpn. J. Appl. Phys. 33 (1994) 3960.        [ Links ]

3. A.L. Linsebigler, G. Lu, and J.T. Yates Jr, Chem. Rev. 95 (1995) 735.        [ Links ]

4. Xiao–Ping Wang, Yun Yu, Xing–Fang Hu, and Lian Gao. Thin Solid Films 317 (2000) 148.        [ Links ]

5. P.C. Maness, S. Smolinski, and W.A. Jacoby, Appl. Environ. Microbiol. 65 (1999) 4094.        [ Links ]

6. A. Conde–Gallardo, M. García–Rocha, I. Hernández–Calderón, and R. Palomino–Merino, Appl. Phys. Lett. 78 (2001) 3436.        [ Links ]

7. A. Fujishima and K. Honda. Nature 238 (1972) 37.        [ Links ]

8. B. O'Regan and M. Gratzel, Nature 353 (1991) 737.        [ Links ]

9. L. Kavan, M. Gratzel, S.E. Gilbert, C. Klemenz, and H.J. Scheel, J. Am. Chem. Soc. 118 (1996) 6716.        [ Links ]

10. J. Aarik, A. Aidla, H. Mandar, and V. Sammelselg, J. Cryst. Growth 220 (2000) 531.        [ Links ]

11. A. Sandell et al., J. Appl. Phys. 92 (2002) 3381.        [ Links ]

12. G.A. Battiston et al., Thin Solid Films 371 (2000) 126.        [ Links ]

13. Y. LaPrince–Wang and K. Yu–Zhang, Surface Coatings Technology 140 (2001) 155.        [ Links ]

14. J.M. Bennett et al., Appl. Opt. 28 (1989) 3303.        [ Links ]

15. A. Conde–Gallardo et al., Thin Solid Films 473 (2005) 68.        [ Links ]

16. L. Castañeda, J.C. Alonso, A. Ortiz, E. Andrade, J.M. Saniger and J.G. Bañuelos, Mat. Chem. Phys. 77 (2002) 938.        [ Links ]

17. T.T. Kodas and M.J. Hampden–Smith, Aerosol Processing of Materials (WILEY–VCH, New York 1999), p. 492.        [ Links ]

18. J.C. Viguie and J. Spitz, J. Electrochem. Soc. 122 (1975) 585.        [ Links ]

19. M. Langlet and J.C. Joubert, "The pyrosol process or the pyrolysis of an ultrasonically generated aerosol", in Chemistry of Advanced Materials, ed. by C.N.R. Raim (Blackwell; Oxford 1993)55.        [ Links ]

20. M. Langlet, M. Labeu, B. Bochu, and J.C. Joubert, IEEE Trans. Mag. 22 (1986) 151.        [ Links ]

21. T.T. Kodas and M.J. Hampden–Smith, The Chemistry of Metal CVD (VCH Weinheim, Germany, 1994) 460.        [ Links ]

22. G.B. Stringfellow, J. Cryst. Growth. 68 (1984) 111.        [ Links ]

23. A. Sherman, Chemical Vapor Deposition for Microelectronics (Noyes Publications. New Jersey USA 1987) 1.        [ Links ]

24. A. Conde–Gallardo, N. Castillo, and M. Guerrero. J. Appl. Phys. 98 (2005) 054908.        [ Links ]

25. M. Langlet and J.C. Joubert, Chemistry of Advanced Materials ed. by C. N. R. Rao, (Blackwell; Oxford 1993).        [ Links ]

26. D. Kondepudi and I. Prigogine, Modern Thermodynamics, (JOHN WILEY & SONS, New York, Weinheim, Toronto, Singapore 1998) 184.        [ Links ]

27. D.C. Bradley, R.C. Mehrotra, and D.P Gaur, Metal Alkoxides, (Academic Press, London, New York 1978) 62.        [ Links ]

28. A. Conde–Gallardo, N. Castillo, and M. Guerrero, Accepted in Journal of Materials Research.

29. G. Heiland, H. Luth, "Adsorption on oxides", in The Chemical Physics of Solid Surfaces and Heterogeneous Catalysis, Vol.3, edited by D. A. King and P.D. Woodruff (ELSEVIER Amsterdam–Oxford–New York 1984) 190.        [ Links ]

30. G.A. Somorjai, Chemistry in Two Dimensions: Surfaces (Cornell University Press, Ithaca and London 1981) 345, 381.         [ Links ]