Espectroscopía de conducción eléctrica y ruido de sodio

Aug 01, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 9861 (2022) Citar este artículo

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La electrónica verde es un tema emergente que requiere la exploración de nuevas metodologías para la integración de componentes verdes en dispositivos electrónicos. Por lo tanto, el desarrollo de materias primas alternativas y ecológicas, biocompatibles y biodegradables, es de gran importancia. Entre estos, el alginato de sodio es un biopolímero natural extraído de algas marinas que tiene un gran potencial en términos de transparencia, flexibilidad y conductividad, cuando se funcionaliza con una fina capa de oro (Au). Se ha estudiado el transporte eléctrico de estos sustratos flexibles y conductores, mediante medidas de CC, de 300 a 10 K, para comprender la interacción entre el sustrato orgánico y la capa metálica. Los resultados se compararon con bicapas de referencia basadas en polimetilmetacrilato, un conocido polímero utilizado en electrónica. Además, también se realizó una investigación detallada de las propiedades del ruido eléctrico. Este análisis permite estudiar el efecto de las fluctuaciones de los portadores de carga, proporcionando información importante para cuantificar el espesor metálico mínimo requerido para aplicaciones electrónicas. En particular, el comportamiento de ruido típico de los compuestos metálicos se observó en muestras recubiertas con 5 nm de Au, mientras que se encontraron niveles de ruido relacionados con una conducción no metálica para un espesor de 4,5 nm, a pesar de la conductancia DC relativamente buena de la bicapa. .

El desarrollo de dispositivos electrónicos flexibles ha recibido mucha atención en la última década, porque se espera que tengan un gran impacto en los equipos eléctricos y electrónicos (AEE), que se han convertido en una parte esencial de nuestra vida cotidiana. Después de su uso, los EEE se desechan, generando grandes desechos electrónicos de materiales peligrosos pero valiosos. En 2019, el mundo generó 53,6 millones de toneladas métricas (Mt) de desechos electrónicos, y solo el 17,4% de estos desechos electrónicos fueron recolectados y reciclados1. Las tecnologías de reciclaje actuales se basan principalmente en tecnologías químicas y de fundición. El funcionamiento de una fundición consume mucha energía, mientras que los ácidos minerales comúnmente utilizados en las técnicas de reciclaje químico plantean graves riesgos ambientales para los trabajadores, así como para la calidad del aire y las corrientes de agua2,3.

El uso de materiales biodegradables y fácilmente reciclables en el marco de la electrónica verde podría reducir en gran medida el impacto ambiental de los desechos electrónicos. De hecho, estos materiales ofrecen la oportunidad de una ruta de reciclaje más sostenible ambientalmente2,4, así como una gestión segura de los dispositivos desechables de un solo uso, como los sensores. Según la norma europea EN13432, un material biodegradable es aquel que se puede convertir al menos en un 90% en componentes inocuos, como agua, dióxido de carbono y biomasa, mediante la acción de hongos o microorganismos en un plazo de 6 meses. Actualmente, el uso de materiales biodegradables representa una oportunidad en varios campos, donde pueden ser utilizados como sustratos, capas intermedias o activas y electrodos. Hasta la fecha, los materiales biodegradables más estudiados y prometedores son los derivados de la celulosa5,6, la quitina/quitosano7,8,9 y la fibroína de seda10,11,12.

Recientemente, hemos comenzado a emplear alginato de sodio (SA), un polímero natural biodegradable derivado de algas pardas13. SA es soluble en agua y fácil de manipular, por lo que se pueden fabricar fácilmente láminas planas y transparentes con un proceso ecológico14. Con el objetivo de utilizar SA para la fabricación de sustratos innovadores para producir dispositivos ecológicos para la luz y la energía (es decir, fotodiodos orgánicos (OPD), diodos emisores de luz orgánicos (OLED), células solares poliméricas (PSC), etc.), hemos depositado una fina capa de Au sobre una película de SA obteniendo una bicapa conductora, cuyas propiedades eléctricas deben estudiarse para adaptar los sustratos a la aplicación final. Esta plataforma se ha integrado con éxito en los OLED4 de trabajo, demostrando que puede sustituir a la convencional de bicapa de vidrio/ITO. Sin embargo, las capas metálicas muy delgadas son obligatorias para preservar la transparencia del sustrato en aplicaciones optoelectrónicas. Por lo tanto, en la fabricación de un AEE desechable la cantidad de la parte metálica en la bicapa debe ser mínima, manteniendo un adecuado transporte de corriente con una alta conductancia eléctrica. El Au representa una buena opción por sus buenas propiedades de crecimiento y conectividad, pero también por su resistencia a la degradación química, proporcionando una buena conductancia incluso con un espesor muy bajo.

Los autores ya han investigado nanocapas de oro que oscilan entre 4,5 y 24 nm pulverizadas en SA, y han encontrado un cambio brusco (de varios órdenes de magnitud) en la resistencia en función del espesor de Au, en aproximadamente 4-5 nm15,16. Este valor está cerca del espesor de percolación eléctrica para Au sobre vidrio en el caso del modo de crecimiento de Volmer-Weber (VWGM)17. Se encontró que la dependencia de la temperatura de la resistencia era diferente para las nanocapas de oro con un espesor superior e inferior a 5 nm16, y la transición entre los dos regímenes diferentes se explicó en términos de pérdida de las rutas de percolación por encima del espesor crítico, con el correspondiente cambio en el mecanismo de conductancia de un metal clásico a un túnel inducido por fluctuaciones a través de grupos de oro incrustados en la película de alginato de sodio. Estos resultados se han investigado más a fondo en este artículo mediante espectroscopia de ruido, utilizando sustratos convencionales como referencia y estudiando el mecanismo de conducción en el umbral de conducción metálica/no metálica, que se produce para un espesor de oro de 4,5 nm. Es bien sabido que el proceso de crecimiento de la película de Au procede, en sus primeras etapas, con la formación de nanopartículas sólo parcialmente conectadas18. Las interconexiones entre los dominios nanométricos se acumulan a medida que aumenta el espesor de Au, hasta que se obtiene una cobertura total de la superficie15. De hecho, el uso de un sustrato orgánico en lugar de uno inorgánico rígido (como el vidrio o la mica utilizados en la Ref. 19), puede dar como resultado un mecanismo de crecimiento diferente. Además, es obvio que la interfaz de la capa de oro nanoestructurada puede verse fuertemente afectada por la presencia del polímero orgánico. Se desconoce el papel de dicha interfaz en el mecanismo de transporte de electrones y en la formación de la red de percolación eléctrica, y puede dar lugar a sustratos con una conductancia relativamente alta pero caracterizados por caminos de conducción inestables que pueden introducir un gran ruido eléctrico en dispositivos reales. La presencia de trayectorias de corriente fluctuantes se puede evidenciar fácilmente mediante un análisis de espectroscopia de ruido, que permite determinar el espesor de la capa de Au que garantiza tanto una buena conductancia eléctrica como un bajo nivel de ruido en estos innovadores sustratos conductores.

En este trabajo hemos analizado en detalle el transporte eléctrico en sustratos SA/Au con espesores de Au de pocos nanómetros. Es muy importante recalcar que, cuando se investigan películas ultrafinas, una alta conductancia no puede considerarse una propiedad suficiente. De hecho, el proceso de crecimiento de la película de Au sobre sustratos poliméricos, como el SA, procede en sus primeras etapas con la formación de nanopartículas solo parcialmente conectadas. Las interconexiones entre los dominios nanométricos se forman para aumentar el espesor de Au, hasta obtener una cobertura total de la superficie15. Esta morfología de red puede dar lugar a sustratos con una conductancia relativamente alta pero caracterizados por caminos de conducción inestables que pueden introducir un gran ruido eléctrico en los dispositivos reales. La presencia de caminos de corriente fluctuantes se puede evidenciar fácilmente realizando un análisis de espectroscopía de ruido, que permite determinar el espesor de la capa de Au que garantiza tanto una buena conductancia eléctrica como un bajo nivel de ruido.

Como ya se mencionó, los biopolímeros disponibles comercialmente, incluso si se usan y estudian ampliamente en varios campos que van desde el empaque hasta la medicina, se investigan poco en la electrónica y, en particular, como sustratos verdes innovadores. En este sentido, una comparación del SA con un material tradicional como el polimetilmetacrilato (PMMA), cuyas propiedades y aplicaciones en dispositivos electrónicos son bien conocidas, puede aportar información interesante.

La Figura 1 muestra la dependencia de la temperatura de la resistencia medida R(T) para películas de SA y PMMA recubiertas con una capa de Au de 4,5 nm de espesor, lo que representa el umbral previamente estudiado entre un comportamiento no metálico (abajo) y metálico (arriba)16. Tanto para una película de SA independiente (Fig. 1a) como para películas de SA o PMMA recubiertas por rotación sobre vidrio (Fig. 1b,c), se observan curvas R(T) similares en todo el rango desde 300 hasta 10 K. Más en detalle, un aumento de resistencia al bajar la temperatura siempre se encuentra por debajo de 100 K, mientras que un pico evidente, más pronunciado para las películas SA, ocurre en una región alrededor de 200 K. A 300 K, una estimación aproximada de la resistencia de la lámina de oro , realizada sobre las muestras sin patrón depositadas sobre vidrio, da valores de ~ 37 Ω/sq para PMMA y de ~ 19 Ω/sq para SA, que están en buena concordancia con los de las nanoestructuras de oro depositadas sobre vidrio20 y sobre otros polímeros transparentes21.

Gráficas de resistencia versus temperatura de películas no metálicas. Los datos se refieren a tres muestras investigadas diferentes cubiertas con una capa de Au de 4,5 nm de espesor: (a) Película independiente de SA (diamantes azules), (b) PMMA depositado sobre vidrio (cuadrados negros), (c) SA depositado sobre vidrio (círculos rojos).

Estos resultados confirman el marco general de los mecanismos de transporte ya reportados en la literatura, descritos en términos de un proceso de tunelización inducido por fluctuaciones a bajas temperaturas22 y de una expansión de la región conductiva de 300 a 200 K16. Sin embargo, si las pocas diferencias encontradas en las curvas R(T) están relacionadas con el papel que juega la presencia de agua, cuyo efecto puede ser diferente dependiendo de la matriz polimérica considerada (PMMA o SA), es la cuestión interesante a desentrañar. Por tanto, con el fin de extraer más información sobre los mecanismos de conducción en condiciones de trabajo, se ha llevado a cabo una investigación más sensible mediante el estudio de las fluctuaciones de los portadores de carga, utilizando la conocida técnica de espectroscopia de ruido eléctrico.

En este tipo de caracterizaciones de ruido, la principal información viene dada fundamentalmente por la función tensión-densidad espectral SV y, más en detalle, por el análisis de su dependencia frecuencia-amplitud. Para las muestras aquí investigadas, el mejor procedimiento de ajuste de las trazas espectrales se puede obtener utilizando una expresión genérica en forma de

Aquí, γ es el exponente de la frecuencia del ruido, S0 es un término independiente de la frecuencia, mientras que K es el coeficiente de amplitud del ruido cuyo estudio en función de parámetros externos, como la temperatura y la corriente de polarización, permite establecer correlaciones y relaciones con las propiedades físicas del sistema implicado23,24. Las curvas verdes en la Fig. 2 muestran un buen acuerdo entre la ecuación. (1) y los espectros de ruido experimentales, tanto para películas recubiertas con Au de PMMA (panel izquierdo) como SA (panel derecho) en todo el rango de temperatura. Como resultado del análisis de los datos, variando la temperatura de 300 a 10 K, el exponente γ oscila en el intervalo entre 1,2 y 1,4 en ambos sustratos investigados. Esto sugiere un pequeño número N de fluctuadores activos como responsables de los mecanismos de ruido23,25,26. De hecho, una gran cantidad de fluctuadores de Lorentziano (N → ∞) generaría un componente de ruido 1/f puro con valores de γ que oscilan entre 0,8 y 1,223,27,28. El término constante S0 es el componente de "ruido blanco" que consiste esencialmente en el ruido térmico de Johnson (4kBTR) agregado a una contribución de fondo. Debido a los pequeños valores de resistencia medidos tanto para películas de PMMA como de SA, S0 corresponde a la densidad espectral de voltaje de la cadena electrónica de montaje experimental, siendo ~ 1 × 10−18 V2/Hz. El coeficiente de amplitud de ruido K, además, se puede estudiar en función de la corriente de polarización aplicada I, revelando siempre un comportamiento cuadrático en todo el rango de temperatura probado, como se muestra en la Fig. 3. Este es el comportamiento estándar esperado cuando el ruido procesa se originan por fluctuaciones de resistividad en una red de resistencia aleatoria28,29.

A partir de la dependencia de corriente cuadrática de K, es sencillo evaluar el nivel de ruido (NL) de los sistemas óhmicos como23

siendo V la tensión continua medida. Como se evidencia en la Fig. 4, se produce un claro pico de NL en la región de temperatura donde se observa un aumento de la resistencia. Esto sucede alrededor de 128 K para PMMA (cuadrado verde) y alrededor de 112 K para SA (círculo amarillo). La presencia de un pico en la amplitud del nivel de ruido suele estar asociada a un cambio en los mecanismos de transporte eléctrico30,31,32,33.

Espectros de tensión-ruido. La dependencia de la frecuencia de SV, a valores de corriente de polarización fijos, se muestra para películas de PMMA (a) y SA (b) depositadas sobre vidrio y cubiertas con una capa de Au de 4,5 nm de espesor. Las líneas continuas verdes son las curvas de mejor ajuste obtenidas usando la ecuación. (1).

Dependencia actual de la componente de ruido 1/f. La amplitud K del ruido 1/f se muestra como una función de la corriente de polarización aplicada para películas no metálicas de PMMA (a), (b) y SA (c), (d). Siempre se observa un comportamiento cuadrático típico tanto por debajo (paneles superiores) como por encima (paneles inferiores) de las temperaturas a las que se produce un mínimo de resistencia para los dos diferentes sistemas investigados.

Comparación entre las propiedades de CC y CA de muestras no metálicas. Las dependencias de temperatura de la resistencia normalizada R/R300K (a) y del nivel de ruido NL (b), evaluadas a partir de la ecuación. (2), se muestran para películas de PMMA (cuadrados) y SA (círculos). Los picos de NL, correspondientes a los diferentes mínimos de resistencia observados, se evidencian con flechas verdes y amarillas para PMMA y SA, respectivamente.

La transición a un transporte no metálico típico se confirma por el aumento de la resistencia normalizada R/R300K por debajo de 100 K para espesores de película de Au ≤ 4,5 nm. Una comparación entre el comportamiento de PMMA y SA muestra diferencias menores que indican un papel menor de la composición del sustrato en el crecimiento de Au. La película ultrafina puede considerarse como una red de regiones metálicas discontinuas en lugar de una capa continua15, cuya morfología no depende de PMMA o SA y da como resultado las características no metálicas específicas observadas. Desde un punto de vista tecnológico, los resultados de la espectroscopia de fluctuaciones dan la indicación de valores bajos de NL en la región de baja temperatura, como se esperaba debido a la baja movilidad de los portadores de carga. Además, se observan valores bajos de NL similares incluso a altas temperaturas, en el rango de uso típico de un dispositivo. Esta última característica, muy interesante para el desarrollo de aplicaciones a temperatura ambiente, es claramente evidente en los gráficos tridimensionales de la Fig. 5 del parámetro de amplitud K, tanto para PMMA (panel izquierdo) como para SA (panel derecho). Observe que, si bien el comportamiento general de las películas recubiertas por rotación de PMMA y SA es similar, el efecto de los procesos de fluctuación en el ruido eléctrico a temperatura ambiente es menor en SA que en PMMA, gracias a que el pico de NL se desplazó hacia un valor de temperatura más bajo en SA (ver Figs. 4 y 5, para más detalles). Esto da como resultado otra ventaja del SA sobre el PMMA, además de la flexibilidad y el origen no fósil.

Propiedades de ruido de muestras no metálicas. La amplitud K de la componente de ruido 1/f se muestra en función de la temperatura y de la corriente de polarización, en un gráfico tridimensional, para películas de PMMA (a) y SA (b) depositadas sobre vidrio y cubiertas con una película de 4,5 nm. -capa gruesa de Au.

La evidencia de un pico NL, observado en presencia de una conducción no metálica, desaparece por completo cuando cambian los mecanismos de transporte eléctrico. En particular, al aumentar el espesor del Au pulverizado por encima de 4,5 nm, se recupera un comportamiento más metálico como se muestra en la Fig. 6 para una película de SA independiente cubierta con una capa de Au de 5 nm de espesor. Después de un primer ciclo térmico (cuadrados negros, adquiridos en modo enfriamiento) la matriz polimérica se asienta (círculos rojos, adquiridos en modo calentamiento), tornándose más estable durante el segundo ciclo térmico (estrellas azules, adquiridas en modo enfriamiento) y para todos los posteriores. Ensayos térmicos cíclicos realizados (triángulos verdes, adquiridos en modo refrigeración). Es evidente que no se produce ningún efecto histerético, como se observa en todo el conjunto de compuestos investigados. Es importante subrayar que, utilizando almohadillas de Au (60 nm de espesor, depositadas sobre la superficie de la muestra) para las conexiones eléctricas, las mediciones suelen caracterizarse por una gran estabilidad y repetibilidad. En cambio, los signos de inestabilidad y no repetibilidad son visibles en ausencia de almohadillas de Au, como se muestra en la Fig. S1 complementaria, donde se comparan los datos experimentales tomados en películas SA pulverizadas con Au con (rombos rojos) y sin (círculo negro) almohadillas de Au.

Gráficas de resistencia versus temperatura de películas metálicas. La dependencia de la temperatura de la resistencia R se muestra para películas independientes de SA cubiertas con una capa de Au de 5 nm de espesor. Los resultados, obtenidos en muestras en contacto eléctrico con almohadillas de Au, se informan para ciclos térmicos posteriores.

Por lo tanto, está claro que una geometría bien definida de las almohadillas de contacto permite una evaluación precisa del ruido intrínseco, como se evidencia en la Fig. 7 para una película autoportante de SA metalizada típica (espesor de Au de 5 nm). Más en detalle, la amplitud del ruido 1/f muestra una disminución al bajar la temperatura (ver el gráfico bidimensional de la Fig. 7a). La reducción de K generalmente se espera en el caso de los metales, junto con una dependencia de corriente cuadrática del componente de ruido 1/f23,27, como se muestra en el gráfico tridimensional de la Fig. 7b, que se puede atribuir a fluctuaciones de resistencia aleatorias. .

Propiedades de ruido de muestras metálicas. La amplitud K del componente de ruido 1/f de las películas independientes de SA cubiertas con una capa de Au de 5 nm de espesor se muestra: (a) en función de la temperatura en un gráfico bidimensional para diferentes valores de corriente de polarización; (b) en función de la temperatura y de la corriente de polarización en un gráfico tridimensional.

De la literatura se sabe que este tipo de procesos de fluctuación, para compuestos metálicos o de metales malos, se caracteriza por una reducción del nivel de ruido al disminuir la temperatura34,35. Este comportamiento se muestra en la Fig. 8 para todas las muestras de PMMA y SA cubiertas con una capa de Au de 5 nm de espesor, tanto para películas independientes como para spin-coated, cuya conducción metálica típica se verifica en la Fig. 8a en términos de la resistencia normalizada R/R300K. En particular, la Fig. 8b evidencia claramente una disminución monótona de NL que pasa de 300 a 10 K. Una posible explicación de la dependencia observada de la temperatura del ruido se puede encontrar en un modelo teórico que atribuye el origen de las fluctuaciones de resistencia a la vacancia y la difusión intersticial27,36 , como ya se informó para los sistemas granulares y policristalinos37,38. Este hallazgo da una indicación de que por encima de un cierto espesor de capa de Au, aquí identificado en 4,5 nm, las regiones conductoras que forman las películas ultrafinas están distribuidas e interconectadas de manera más uniforme, a pesar de la posible presencia de defectos estructurales en los puntos de su distancia más cercana.

Comparación entre las propiedades de CC y CA de muestras metálicas. Las dependencias de la temperatura de la resistencia normalizada R/R300K (a) y del nivel de ruido NL (b) se muestran para películas de PMMA sobre vidrio (cuadrados), SA sobre vidrio (círculos) y SA independientes (triángulos). Se observan las características típicas de los compuestos metálicos, especialmente en lo que se refiere al bajísimo ruido medido en todo el rango de temperatura investigado.

Desde el punto de vista de las aplicaciones, también en el caso de películas metálicas como ya se ha comentado para muestras no metálicas, es importante destacar que el nivel de ruido intrínseco es muy bajo y tiene una débil dependencia del tipo de sustrato utilizado para la fabricación de dispositivos. De hecho, las láminas independientes parecen tener generalmente un valor NL más bajo en comparación con los compuestos sobre vidrio, lo que resulta muy prometedor en el desarrollo de una "electrónica verde" flexible.

La realización de la electrónica verde solo puede partir del uso de biopolímeros, obtenidos a partir de recursos renovables, como sustratos innovadores. Para ello, se han investigado desde el punto de vista de la conducción eléctrica sustratos hechos de alginato de sodio, un biopolímero natural extraído de algas marinas, recubiertos con una capa ultrafina de oro. En concreto, se ha llevado a cabo un estudio comparativo con polimetilmetacrilato sobre películas spin-coated sobre vidrio. El grosor de la capa de oro se ha mantenido en un valor mínimo para reducir la cantidad de material caro y no biodegradable empleado, al mismo tiempo que se conservan buenas propiedades de conducción eléctrica, aunque recientemente se ha demostrado una posible recuperación de los metales para dispositivos basados ​​en SA. Se ha identificado un rango entre 4.5 y 5 nm como la región donde ocurre la transición no metálica y metálica para ambos polímeros. Además, se han realizado mediciones en películas independientes de alginato de sodio, lo que destaca su alto potencial para aplicaciones en electrónica verde flexible.

Las medidas de resistividad DC, realizadas ciclando la temperatura de 300 a 10 K, muestran que las muestras alcanzan la estabilidad en la conducción eléctrica después de un ciclo térmico. Además, se ha obtenido información importante midiendo la amplitud del nivel de ruido, que es muy baja y comparable con los materiales metálicos empleados actualmente en la electrónica común para muestras con una capa de oro de 5 nm de espesor. Para un espesor igual a 4,5 nm, la amplitud del nivel de ruido es dos órdenes de magnitud mayor, lo que indica un mecanismo de conducción completamente diferente, dominado por una red aleatoria de islas doradas interconectadas. Esto es importante para definir el espesor mínimo de la capa metálica que se utilizará para la preparación de electrodos transparentes flexibles adecuados para una nueva generación de dispositivos electrónicos ecológicos.

La solución de SA (conc. al 2 %) para el revestimiento por rotación se preparó solubilizando la cantidad apropiada de SA (Farmalabor Srl, Canosa di Puglia (BT), Italia) en agua ultrapura con agitación a temperatura ambiente durante varias horas. La solución se dejó reposar al menos durante la noche para permitir que escaparan las burbujas.

Las láminas de SA se han obtenido colando una solución de agua al 4% de un producto de grado farmacéutico (Farmalabor Srl, Canosa di Puglia (BT), Italia), en placas de Petri de poliestireno15. La evaporación del exceso de agua se realiza en sala limpia, en condiciones ambientales controladas (humedad ~ 40% y temperatura ~ 23 °C). En muestras independientes, el Au se pulveriza en la parte central de una franja SA rectangular (2,5 × 1,5 cm2), a través de una máscara de metal, utilizando un sistema de RF MRC 8622. Para tener un control fino del espesor de Au, los procesos de deposición se realizaron a 20 W. Se ejecuta una segunda deposición de Au (60 nm de espesor), para la fabricación de cuatro pads, que garantizan un buen y estable contacto óhmico durante la larga duración eléctrica. mediciones.

Sobre sustratos de vidrio (6 mm por lado), se depositaron películas de SA y PMMA mediante revestimiento por rotación al aire. En detalle, la solución de SA (4 % p/p) se revistió por rotación a 2000 rpm durante 60 s (espesor de ~ 400 nm) y posteriormente se recoció en aire a 80 °C durante 5 min, mientras que el PMMA se revistió por rotación a 5000 rpm durante 60 s (espesor de ~ 350 nm) y posteriormente recocido en aire a 110 °C durante 3 h. El espesor de las películas recubiertas por rotación se midió con un perfilómetro (KLATencor, P-6). Para estas muestras, la película delgada de Au se pulveriza con una manta encima de SA, aplicando las mismas condiciones de deposición que se usan para el autoestable.

La microscopía de fuerza atómica (AFM) se realizó utilizando un sistema híbrido hecho de un cabezal comercial (SMENA, NT-MDT), electrónica casera y un amplificador de bloqueo digital (Zurich HF2LI). La configuración se operó en modo de contacto intermitente (ICM). Los voladizos empleados están disponibles comercialmente en MikroMasch (HQ: NSC35). Se ha elegido el tamaño de imagen de 2 × 2 µm2 para observar la textura fina y proporcionar una vista lo suficientemente amplia.

El análisis morfológico muestra que tanto las películas de SA como las de PMMA son muy planas (Fig. 9), con una rugosidad RMS de 0,3 y 0,2 nm, respectivamente. Las películas de SA comparadas con las de PMMA presentan una textura diferente con características más pequeñas. Todas las películas de Au también son muy planas, aunque más ásperas que las películas prístinas. Las películas de Au sobre PMMA en comparación con SA presentan una textura granulosa más pequeña. Los valores RMS aumentan al aumentar el espesor de Au, con una rugosidad RMS máxima de 0,5 nm en SA y 0,6 nm en PMMA para un espesor de Au de 5 nm. Estos datos no evidencian una clara transición morfológica de la capa de Au en un rango de espesores de 4 a 5 nm. En un estudio previo realizado en láminas de SA15, se demostró que los grupos de Au observables en la superficie se encuentran encima de otros grupos incrustados en la matriz polimérica. La transición en la conductancia eléctrica se puede atribuir así a alcanzar una proximidad crítica de los grupos incrustados en la matriz polimérica.

Análisis de microscopía de fuerza atómica. Datos morfológicos de las películas de Au pulverizadas sobre películas de SA (paneles superiores) y PMMA (paneles inferiores) soportadas sobre vidrio.

Las caracterizaciones de transporte eléctrico de las muestras ensayadas se realizaron en un refrigerador de ciclo cerrado de temperatura estabilizada, mod. Janis CCS-350S (Lake Shore Cryotronics, Westerville, OH, EE. UU.), que cubre un amplio rango de temperatura de 300 a 10 K. Se utilizaron lectores y polarización electrónica de CC y CA de bajo ruido. En particular, la corriente de polarización aplicada se suministró con una fuente de corriente continua, mod. Keithley 220 (Tektronix, Beaverton, OR, EE. UU.). Mientras, la señal AC fue amplificada con una electrónica casera, optimizada para mediciones de bajo ruido39,40,41, y fue adquirida por un analizador de señal dinámica tipo HP35670A (Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, EE. UU.).

Aquí, es importante subrayar el hecho de que las curvas de fondo contienen la información relevante y, por lo tanto, los picos visibles en los espectros de tensión-ruido no se consideran en el análisis, ya que se deben a fuentes espurias externas. Estas contribuciones de ruido no deseadas también pueden ser generadas por los contactos. Para reducir tales componentes extrínsecos, se realizaron dos tipos diferentes de conexiones eléctricas. El primero usó dos tiras de cobre recubiertas de Au incrustadas en Kapton, colocadas a una distancia de aproximadamente 5 mm, presionadas mecánicamente sobre la superficie de la muestra para obtener una geometría de cuatro contactos (ver Fig. 10a, para más detalles). Alternativamente, se realizó un segundo tipo de configuración de contacto depositando cuatro almohadillas de Au, de 60 nm de espesor y 1 mm de distancia entre sí, conectadas a los cables con pasta de plata (ver Fig. 10b, para más detalles). En todos los casos, se encontró que el ruido de contacto era insignificante en comparación con el ruido eléctrico total medido.

Configuración de contactos eléctricos. (a) Fotografía del portamuestras utilizado para las mediciones realizadas con almohadillas de contacto prensadas mecánicamente. (b) Fotografía de una muestra típica investigada con almohadillas de Au en línea depositadas en la superficie para las conexiones eléctricas.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

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Los autores desean agradecer a S. Abate de CNR-SPIN Salerno (Italia) por su apoyo técnico. La Universidad de Salerno ha apoyado parcialmente este trabajo a través de las subvenciones 300391FRB19PAGAN y 300391FRB20BARON. INFN también recibe un agradecimiento a través de los experimentos SIMP, Qub-IT y DARTWARS.

Departamento de Física "ER Caianiello", Universidad de Salerno, Via Giovanni Paolo II 132, 84084, Fisciano, SA, Italia

Charles Barone y Sergio Pagán

CNR-SPIN Salerno, c/o Universidad de Salerno, 84084, Fisciano, SA, Italia

Charles Barone y Sergio Pagán

Grupo conectado INFN de Salerno, c/o Universidad de Salerno, 84084, Fisciano, SA, Italia

Charles Barone y Sergio Pagán

CNR-Instituto de Microelectrónica y Microsistemas, Via P. Gobetti 101, 40129, Bolonia, Italia

Piera Maccagnani

CNR-Instituto Nacional de Óptica, Via G. Moruzzi 1, 56124, Pisa, Italia

Franco Dinelli

Departamento de Ciencias Químicas, Farmacéuticas y Agrícolas, Universidad de Ferrara, Via L. Borsari 46, 44121, Ferrara, Italia

Mónica Bertoldo

Instituto de Síntesis Orgánica y Fotorreactividad, Consejo Nacional de Investigación, Via P. Gobetti 101, 40129, Bolonia, Italia

Mónica Bertoldo y Massimo Cocchi

Departamento de Ingeniería E. Ferrari, Universidad de Módena y Reggio Emilia, 41125, Módena, Italia

Rafaella Capelli

CNR-Instituto Taller de Materiales, SS 14, km 163,5 en Area Science Park, 34012, Trieste, Italia

Rafaella Capelli

Departamento de Física, Universidad de Johannesburgo, PO Box 524, Auckland Park, 2006, Sudáfrica

Rafaella Capelli

CNR-Instituto para el Estudio de Materiales Nanoestructurados (ISMN), Via Piero Gobetti 101, 40129, Bolonia, Italia

Mirko Seri

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CB y SP realizaron las mediciones eléctricas y de ruido. PM, FD y MB contribuyeron a la preparación de materiales y herramientas de análisis estructural/morfológico. RC, MC y MS desarrollaron el modelo teórico. Todos los autores analizaron e interpretaron los datos y contribuyeron igualmente a la redacción del artículo. La versión enviada del manuscrito fue aceptada por todos.

Correspondencia a Carlo Barone o Sergio Pagano.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Barone, C., Maccagnani, P., Dinelli, F. et al. Espectroscopia de conducción eléctrica y ruido de películas ultrafinas recubiertas de oro de alginato de sodio para electrónica verde flexible. Informe científico 12, 9861 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14030-2

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Recibido: 20 enero 2022

Aceptado: 18 mayo 2022

Publicado: 14 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14030-2

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