Synthesis and study of the optical, structural and morphological properties of TiO2:Co alloys prepared by Co-Sputtering

Abstract

In this work, cobalt-doped titanium dioxide thin films were synthesized using the advantageous DC Magnetron Co-sputtering method varying different fabrication parameters like deposition time, substrate temperature and type of substrate employed; a portion of the fabricated samples was then subject to annealing processes in uncontrolled atmosphere. The resulting material was an opaque, seemingly uniform thin film of black appearance which became more transparent and brown-like after annealing at temperatures beyond 500 °C. The fabricated samples were submitted to structural, morphological, optical, compositional and magnetic characterizations, evidencing a limited crystallization, low grain size (less than 200 nm), elevated reflectance (up to 95% in the IR region), low transmittance (less than 0.8% for cobalt-containing samples) and superparamagnetic behavior of the as-deposited thin films, which, after the annealing processes were performed, became severely more crystalline, transparent and increased their grain size (reaching values of even 1000 nm), maintaining its granular morphology in the surface. Cobalt oxide (Co3O4) and cobalt titanate (CoTi2O5) were among the crystalline phases found via X-ray diffraction, the latter pertaining a spinel-like structure in which the cobalt atoms exist in two separate oxidation states, namely +2 and +3. These results prompted the successful conclusion of the fabrication of an intermetallic alloy thin film, which in turn supports one of the main contributions of this work to the materials science research field. The synthesis of the ternary CoTi2O5 phase with this configuration of the sputtering technique had not, until now, yet been reported.

Resumen: En este trabajo, se fabricaron películas delgadas de dióxido de titanio dopado con cobalto usando el ventajoso método de la co-pulverización catódica asistida por campo magnético variando distintos parámetros de fabricación tales como el tiempo de depósito, temperatura de sustrato y el tipo de sustrato empleado; una porción de las muestras fabricadas fue sometida a procesos de recocido en atmósfera no controlada. El material resultante fueron películas delgadas de apariencia opaca, visiblemente uniformes y de color negro las cuales se tornaron más transparentes y de color café luego de recocerlas a temperaturas mayores a 500 °C. Las muestras fabricadas fueron sometidas a caracterizaciones de tipo estructural, morfológico, óptico, composicional y magnético, evidenciando una cristalización limitada, bajo tamaño de grano (inferior a 200 nm), reflectancia elevada (hasta 95% en la región IR), baja transmitancia (menor a 0.8% para muestras que contenían cobalto) y comportamiento superparamagnético para las películas depositadas, las cuales luego de aplicar los procesos de recocido, se tornaron más cristalinas, transparentes e incrementaron su tamaño de grano (alcanzando valores incluso de 1000 nm), manteniendo su morfología granular en la superficie. Se identificaron fases cristalinas de óxido de cobalto (Co3O4) y titanato de cobalto (CoTi2O5) usando la técnica de difracción de rayos-X; la primera de ellas exhibe una estructura tipo espinel, en la cual los átomos de cobalto existen en dos estados de oxidación separados, a saber: +2 y +3. Los anteriores resultados llevaron a la exitosa conclusión de la fabricación de películas delgadas hechas de una aleación intermetálica, lo cual constituye una de las principales contribuciones de éste trabajo a la ciencia de materiales. La síntesis de la fase ternaria CoTi2O5 con esta configuración de la técnica de pulverización catódica no había sido, hasta el momento, reportada.