Propiedades de transporte eléctrico dependiente de la temperatura de un nanocable individual de NiCo2O4

un La curva I-V individual NiCo ₂ O ₄ dispositivo de nanocables. b La imagen ampliada a valores de bajo voltaje. c La gráfica de ln (J) vs E ^1/2 según la Eq. (1). d La gráfica de ln (J) vs E ^1/2 según la Eq. (3)

Aquí, consideramos el nanoalambre como un cilindro para obtener el área de la sección transversal ( A ), A =\ (\ uppi \ ast {\ left (\ frac {D} {2} \ right)} ^ 2 \). El valor de conductividad (σ) se puede obtener mediante la fórmula \ (\ upsigma =\ frac {I} {U} \ ast \ frac {L} {A} \), donde L y A denota la longitud y el área de la sección transversal del NiCo ₂ O ₄ nanoalambres, respectivamente. De acuerdo con la Fig. 3b, c, la longitud efectiva ( L ) de NiCo ₂ O ₄ nanoalambre, la distancia entre los dos electrodos, es de aproximadamente 1,55 μm, y el diámetro del nanoalambre ( D ) está a unos 188 nm de la imagen AFM. Por lo tanto, la conductividad del nanoalambre, σ ≈ 0.48 S cm ⁻¹ , se puede derivar asumiendo que la resistencia de contacto es cero. Este valor se acerca a la conductividad del NiCo policristalino ₂ O ₄ (σ ≈ 0,6 S cm ⁻¹ ) informado en las obras de Fujishiro [8], pero Hu et al. [32] informó la conductividad más alta (σ ≈ 62 S cm ⁻¹ ) de NiCo monocristalino ₂ O ₄ nanoplacas. En el trabajo de Fujishiro, NiCo policristalino ₂ O ₄ se preparó a partir de los materiales precursores en polvo a una temperatura de recocido de 900-1000 ° C, y el grano grande estaba compuesto por numerosos granos pequeños con muchos límites de grano, por lo que el transporte de electrones se verá afectado por la dispersión de los límites del grano. El transporte de electrones en un monocristal estaba libre del efecto de dispersión del límite de grano y se preparó una mayor conductividad de los nanocables a partir del precursor de hidróxidos de NiCo mediante el tratamiento de recocido a 300 ° C, y sus imágenes SEM y TEM mostraron que el NiCo ₂ O ₄ El nanoalambre es un nanoalambre poroso compuesto por muchas nanopartículas pequeñas de 10 a 20 nm de diámetro en lugar del nanoalambre monocristalino, similar al caso en el trabajo de Fujishiro. Por tanto, un valor de conductividad cercano al del NiCo policristalino ₂ O ₄ , se obtuvo en nuestras obras.

Como se muestra en la Fig. 4a, la corriente aumenta exponencialmente con el voltaje aplicado cuando el voltaje es mayor que 0.15 V. La corriente versus el voltaje en nanoestructuras semiconductoras se discuten en varios mecanismos de conducción [33, 34], incluida la emisión de Schottky, Poole-Frenkel (PF), tunelización de Fowler-Nordheim y una corriente limitada de carga espacial. Para determinar el mecanismo de transporte eléctrico dominante, el logaritmo de la densidad de corriente se traza frente a la raíz cuadrada del campo eléctrico, como se muestra en la figura 4c; una línea recta en el campo eléctrico varía de 1024 a 3025 V / cm sugiere la emisión de Schottky. La densidad de corriente de Schottky se expresa de la siguiente manera [32,33,34]:

Aquí, A es una constante, ∅ es la altura de la barrera de Schottky, q es la carga del electrón, k es la constante de Boltzmann, y E es el campo eléctrico. La constante β _SE se da de la siguiente manera:

Aquí, ε ₀ es la permitividad del espacio libre y ε _r es la constante dieléctrica relativa. El valor relativo de la constante dieléctrica ( ε _r ≈ 18.7) obtenido según la pendiente es mayor que el valor informado ( ε _r ≈ 11.9) de NiCo monocristalino ₂ O ₄ nanoplacas [32], que pueden deberse a las características policristalinas de nuestro NiCo ₂ individual O ₄ nanocables.

Con el aumento del campo eléctrico ( E > 3025 V / cm), la característica de la curva J-E concuerda bien con el mecanismo de transporte P-F, como se muestra en la Fig. 4d. El mecanismo de transporte de Schottky se explica por la emisión de termoelectrones de los portadores de carga libre, pero el transporte P-F denota la emisión de defectos estructurales en trampas activas, que se expresa mediante la siguiente fórmula [33, 34]:

Aquí, q ∅ es el potencial de ionización en eV, que denota la cantidad de energía requerida para que el electrón atrapado supere la influencia del centro de atrapamiento cuando no se aplica ningún campo. \ ({\ beta} _ {PF} \ sqrt {E} \) es la cantidad en la que la altura de la barrera de la trampa se reduce por el campo eléctrico aplicado E. C es una constante de proporcionalidad y k es la constante de Boltzmann. El parámetro μ se introduce en la ecuación. 3 para tener en cuenta la influencia de los centros de captura o aceptores (1 < μ <2). Para μ =1, el mecanismo de conducción se considera como el efecto P-F normal, mientras que se denomina efecto P-F con compensación o efecto P-F modificado cuando μ =2. En este caso, el semiconductor contiene un número no despreciable de trampas portadoras. La constante P-F viene dada por

Aquí, ε ₀ es la permitividad del espacio libre y ε _r es la constante dieléctrica relativa. La constante dieléctrica relativa ε _r ≈ 55,3 se extrae de la pendiente de la región de la línea recta del registro (J / E) vs E ^1/2 curva según la emisión P-F.

Con base en el análisis anterior, el transporte eléctrico puede explicarse por el mecanismo óhmico de conductividad en el campo eléctrico bajo (<30 V / cm), con el aumento del campo eléctrico aplicado (1024 V / cm < E <3025 V / cm), se determina que el mecanismo de conducción dominante es la emisión de Schottky. En el campo eléctrico alto (> 3025 V / cm), el mecanismo de conducción dominante encaja bien con el mecanismo de conducción P – F.

La conductividad depende de las concentraciones y movilidades del portador, las cuales dependen de la temperatura. Por lo tanto, el estudio más profundo de la dependencia de la conductividad con la temperatura es muy importante para comprender el mecanismo de transporte eléctrico. En este trabajo, las características IV dependientes de la temperatura se obtuvieron en el rango de 10-300 K a intervalos de 10 K. Como se muestra en la Fig. 5a, b, los valores actuales de los sesgos directo e inverso aumentaron rápidamente con el aumento de temperatura. , y la resistencia ( R ) disminuyó exponencialmente con la temperatura ( T ) que implica una característica semiconductora típica [35]. Sin embargo, el cambio de conductividad σ con la temperatura no concuerda con el mecanismo de excitación térmica definido por \ (\ upsigma ={\ sigma} _0 \ exp \ left (- \ frac {\ Delta \ mathrm {E}} {\ mathrm { kT}} \ right) \), donde σ ₀ es una constante y ∆E es la energía de activación. En cuanto a la conductividad dependiente de la temperatura, Mott et al. para algunos materiales semiconductores. La relación entre σ y T para los mecanismos VRH y NNH se puede describir mediante la siguiente fórmula [35, 36]:

$$ {\ sigma} _1 ={\ sigma} _0 \ mathit {\ exp} \ left [- {\ left (\ frac {T_0} {\ mathrm {T}} \ right)} ^ {\ frac {1} {4}} \ right] \ \ left (\ mathrm {VRH} \ right) $$ (5) $$ {\ sigma} _2 =\ left [\ frac {\ nu_0 {e} ^ 2c \ left (1- c \ right)} {\ upkappa \ mathrm {Tr}} \ right] \ exp \ left (-2 \ upalpha \ mathrm {r} \ right) \ exp \ left (- \ frac {\ varDelta E} {kT} \ right) \ \ left (\ mathrm {NNH}, T> \ mathrm {Debye} \ \ mathrm {temperatura} \ right) $$ (6)

un Las curvas I-V con una temperatura de 10 K a 300 K a intervalos de 10 K. b La resistencia frente a las temperaturas. c Una gráfica de lnσ en función de T ^-1/4 y un ajuste al modelo NRH cuando T <100 K. d La gráfica de conductividad σ en función de T cuando T > 100 K

Aquí, T ₀ es la constante de temperatura VRH relacionada con la densidad de estados localizados en la energía de Fermi, σ ₀ es una constante, ν ₀ es la frecuencia del fonón óptico longitudinal, α es la tasa de caída de la función de onda, r es la distancia de salto promedio, c es la fracción de sitios ocupados por electrones o polarones, y ΔE es la energía de acción. En nuestros trabajos, cuando la temperatura era inferior a 100 K, la σ versus T concuerda bien con el modelo VRH: σ ₁ =0.016exp [\ (- {\ left (\ frac {1840} {T} \ right)} ^ {\ frac {1} {4}} \)], aquí σ ₀ =0.016, T ₀ =1840, como se muestra en la Fig. 5c. Cuando la temperatura era superior a 100 K, la σ- T relaciones según los modelos VRH y NNH:

$$ \ sigma ={\ sigma} _1 + {\ sigma} _2 =0.016 \ exp \ left [- {\ left (\ frac {1840} {T} \ right)} ^ {\ frac {1} {4}} \ right] + \ frac {32086} {T} \ exp \ left [- \ frac {0.0235} {\ mathrm {k} T} \ right] $$ (7)

La energía de activación ( ΔE ) del NiCo ₂ O ₄ Se calculó que el nanoalambre era 0.0235 eV, menos que el valor reportado para NiCo ₂ O ₄ a granel (0,03 eV) [37] y nanoplacas monocristalinas (0,066 eV) [32].

Según nuestro análisis, el modelo VRH domina el transporte eléctrico a bajas temperaturas. Con el aumento de temperatura, los mecanismos VRH y NNH juegan un papel a una temperatura crítica de 100 K (temperatura de Debye). El mecanismo de conducción de salto implicaba la existencia de defectos superficiales o de volumen, y vacantes en nuestro NiCo ₂ O ₄ debido a sus características policristalinas. En el mecanismo de Mott, la conductividad de un semiconductor es el resultado del salto de los portadores en el material, que es asistido por vibraciones reticulares (fonones) [36]. En el proceso de salto de VRH, un paso de salto puede abarcar una distancia mayor que la que existe entre los sitios de salto del vecino más cercano, y los fonones ópticos no tienen suficiente energía para ayudar al salto a baja temperatura. Entonces, el mecanismo de conducción en NiCo ₂ O ₄ El nanocable a bajas temperaturas es un proceso acústico de salto asistido por un único fonón según la teoría de Schnakenberg [38]. En el modelo NNH, el salto asistido por fonones ópticos de pequeños Polaris entre sitios localizados se utiliza para interpretar el mecanismo de conducción. En NiCo ₂ O ₄ nanocables, algunos pequeños polarones se pueden considerar como los huecos o electrones localizados en los sitios de la red, y estos portadores localizados polarizan su red circundante, como resultado, el movimiento coherente de los portadores libres a través de la red se altera y el portador debe saltar entre localizados afirma [39].

Conclusiones

En este trabajo, NiCo ₂ O ₄ Los nanocables se prepararon con éxito mediante transformación térmica a partir de los precursores de hidróxido de CoNi y los mecanismos de transporte eléctrico del NiCo ₂ individual O ₄ Se estudiaron los nanocables. Las características de la curva corriente-voltaje se pueden explicar por el mecanismo óhmico de conductividad en el campo eléctrico bajo (<1024 V / cm). Con el aumento del campo eléctrico aplicado (1024 V / cm < E <3025 V / cm), el mecanismo de emisión de Schottky juega un papel dominante. En el campo eléctrico alto (> 3025 V / cm), las curvas de corriente-voltaje concuerdan con el mecanismo de conducción de Poole-Frenkel. Una característica semiconductora se encuentra en la conductividad dependiente de la temperatura en el NiCo ₂ O ₄ nanoalambre y el mecanismo de conducción eléctrica a baja temperatura ( T <100 K) puede explicarse mediante el modelo VRH de Mott. Cuando la temperatura es superior a 100 K, las propiedades de transporte eléctrico se determinaron mediante el modelo de salto VRH y NNH. Este trabajo será útil para mejorar el diseño y el rendimiento del dispositivo de almacenamiento de energía basado en NiCo ₂ O ₄ nanocables.

Abreviaturas

AFM:

Microscopio de fuerza atómica

EBL:

Litografía por haz de electrones

I-V:

Corriente-voltaje

NNH:

Vecino más cercano saltando

P-F:

Poole – Frenkel

PMMA:

Polimetilmetacrilato

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión

VRH:

Salto de rango variable

Sensor electroquímico ultraestable para la detección de ácido cafeico basado en nanocables dentados de platino y níquel Diodo Schottky β-Ga2O3 de alto voltaje con terminación de borde implantado con argón