Evaluation of the optoelectronic properties of filamentary titanium oxide with different phase compositions

Abstract

The work focuses on the investigation of optoelectronic properties of filamentary titanium oxide with various phase compositions. The experimental samples are two-terminal planar structures based on a thermally oxidized silicon substrate, with gold electrodes spaced approximately 2 mkm apart, and deposited there titanium oxide of different phases (containing varying amounts of anatase, rutile, and B-phase). Optical spectra of the titanium oxide were measured over a wide wavelength range from 200 to 1100 nm. The values of the band gap width for the studied titanium oxide samples were determined, and the photoresponses of the resulting structures under ultraviolet illumination were investigated. The law of extended exponent (Kohlrausch function) accurately describes the relaxation kinetics of photocurrent generated after irradiation in all samples studied. Kohlrausch's law is typical for systems with a high degree of energy disorder, characterized by a variety of localized states with different activation energies. The parameters of the photoconductivity relaxation law are determined for samples with different phase compositions.

• titanium oxide
• hydrothermal synthesis
• photoresponse
• Kohlrausch function

Аннотация (на русском)

Оценка оптоэлектронных свойств нитевидного оксида титана с различным фазовым составом

Работа посвящена изучению оптоэлектронных свойств нитевидного оксида титана с различным фазовым составом. Экспериментальные образцы представляют собой двухтерминальные планарные структуры, на базе термически окисленной кремниевой подложки с золотыми электродами, зазор между которыми равен ~ 20 мкм, и нанесенным нитевидным оксидом титана разного фазового состава (с различным содержанием анатаза, рутила и B-фазы). Измерены оптические спектры оксида титана в широком диапазоне длин волн 200-1100 нм. Определены значения ширины запрещенной зоны для изучаемых образцов оксида титана. Изучены фотоотклики полученных структур при освещении ультрафиолетовым излучением. Закон растянутой экспоненты (функция Кольрауша) успешно описывает кинетику релаксации фототока, возникающего после облучения, для всех изученных образцов. Закон Кольрауша типичен для систем с высокой степенью энергетического беспорядка, характеризующихся множеством локализованных состояний с различными энергиями активации. Определены параметры закона релаксации фотоповодимости для образцов различного фазового состава.

For citation

References

1. Munonde T.S., Raphulu M.C. Review on titanium dioxide nanostructured electrode materials for high-performance lithium batteries. // Journal of Energy Storage. - 2024. - №. 78. - P. 110064. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.110064
2. Arun J., et al. Synthesis and application of titanium dioxide photocatalysis for energy, decontamination and viral disinfection: A review. // Environmental Chemistry Letters. - 2023. -№. 21 (1). - P. 339-362. https://doi.org/10.1007/s10311-022-01503-z
3. Sargazi S., et al. Application of titanium dioxide nanoparticles in photothermal and photodynamic therapy of cancer: An updated and comprehensive review. // Journal of drug delivery science and technology. - 2022. - №. 75. - P. 103605. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2022.103605
4. Rempel A.A., et al. Titanium dioxide nanotubes: Synthesis, structure, properties and applications. // Russian chemical reviews. - 2021. - №. 90 (11). - P. 1397. https://doi.org/10.1070/RCR4991
5. Farooq T., Mukaherjee S. Study of resistive switching in titanium dioxide (TiO2) thin film for the application of non-volatile memory: a review. // Int. J. Res. Appl. Sci. Eng. Technol. - 2019. - №. 7. - P. 3030-7 https://doi.org/10.22214/ijraset.2019.4508
6. Kang X., et al. Titanium dioxide: from engineering to applications. // Catalysts. - 2019. - №. 9 (2). - P. 191. https://doi.org/10.3390/catal9020191
7. Rahimi N., Pax R.A., Gray E.M.A. Review of functional titanium oxides. I: TiO2 and its modifications. // Progress in Solid State Chemistry. - 2016. - №. 44 (3). - P. 86-105. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2016.07.002
8. Mao J.Y., et al. Photonic memristor for future computing: a perspective. // Advanced Optical Materials. - 2019. - №. 7 (22). - P. 1900766. https://doi.org/10.1002/adom.201900766
9. Nelson J. Continuous-time random-walk model of electron transport in nanocrystalline TiO2 electrodes. // Physical Review B. - 1999. - №. 59 (23). - P. 15374. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.15374
10. Сибатов Р.Т., Учайкин В.В. Дробно-дифференциальный подход к описанию дисперсионного переноса в полупроводниках. // Успехи физических наук. - 2009. - №. 179 (10). - С. 1079-1104. https://doi.org/10.3367/ufne.0179.200910c.1079