Tác động của nồng độ, thời gian lão hóa và ủ nhiệt đến các màng mỏng ZnO và ZnO:Al chế tạo từ sol gel

Speaks, D. T.1
1Titan Tech Energy, Phoenix, USA

Tóm tắt

Trình bày các kết quả thí nghiệm về tác động của nồng độ, thời gian lão hóa và thời gian ủ nhiệt đến các tính chất quang học và cấu trúc của màng mỏng oxit kẽm (ZnO) và oxit kẽm pha tạp nhôm (ZnO:Al) chế tạo từ sol gel. Các màng mỏng ZnO và ZnO:Al được chế tạo trên các nền kính bằng phương pháp spin coating, sau đó được ủ nhiệt. Phân tích XRD xác nhận rằng các màng này là đa tinh thể dạng wurtzite. Đối với các màng có nồng độ thấp (0,2 và 0,4 M), kích thước hạt tăng lên theo thời gian lão hóa lên đến 72 giờ. Đối với các mẫu có nồng độ cao (0,6 và 0,8 M), kích thước hạt chỉ tăng đến 48 giờ. Thời gian lão hóa thêm dẫn đến sự giảm kích thước hạt. Kích thước hạt lớn nhất được tìm thấy cho 0,4 M sau 72 giờ và 0,6 M sau 48 giờ. Hệ số năng lượng băng (band gap) có xu hướng giảm khi thời gian lão hóa tăng lên cho tất cả các nồng độ. Hệ số năng lượng băng nhỏ nhất cho mỗi thời gian lão hóa (24, 48 và 72 giờ) được quan sát đối với các màng 0,6 M. Những kết quả này cho thấy rằng nồng độ sol gel cao gần 0,6 M có thể mang lại các tính chất tốt hơn với thời gian lão hóa ngắn hơn so với các màng 0,2 và 0,4 M. Dữ liệu từ quá trình ủ nhiệt cho thấy 350 oC là nhiệt độ ủ tối thiểu trong 1 giờ để đạt được các màng chất lượng cao và các màng ZnO có nồng độ cao có các đỉnh nhiễu xạ mạnh hơn. ZnO:Al cũng thể hiện các đỉnh nhiễu xạ mạnh hơn và sự dịch chuyển về phía xanh lớn hơn của băng với việc tăng nồng độ sol gel.

Từ khóa

#ZnO #ZnO:Al #màng mỏng #sol gel #lão hóa #ủ nhiệt #kích thước hạt #năng lượng băng

Tài liệu tham khảo

citation_journal_title=Applied Surface Science; citation_title=Mg doping induced high structural quality of sol-gel ZnO nanocrystals: application in photocatalysis; citation_author=C Abed, C Bouzidi, H Elhouichet, B Gelloz, M Ferid; citation_volume=349; citation_publication_date=2015; citation_pages=855-863; citation_doi=10.1016/j.apsusc.2015.05.078; citation_id=CR1 citation_journal_title=Chinese Physics Letter.; citation_title=Structural, optical and luminescence properties of ZnO thin films prepared by sol-gel spin-coating method: effect of precursor concentration; citation_author=R Amari, A Mahroug, A Boukhari, B Deghfel, N Selmi; citation_volume=35; citation_issue=1; citation_publication_date=2018; citation_pages=016801; citation_doi=10.1088/0256-307X/35/1/016801; citation_id=CR2 citation_journal_title=Journal of Theoretical and Applied Physics.; citation_author=P Bindu, S Thomas; citation_volume=8; citation_publication_date=2014; citation_pages=123-134; citation_doi=10.1007/s40094-014-0141-9; citation_id=CR3 citation_journal_title=Thin Solid Films; citation_title=Sol-gel derived c-axis orientated ZnO thin films; citation_author=D Boa, H Gu, A Kuang; citation_volume=312; citation_publication_date=1998; citation_pages=37-39; citation_doi=10.1016/S0040-6090(97)00302-7; citation_id=CR4 citation_journal_title=Current Applied Physics; citation_title=Microstructural, optical and electrical studies on sol gel derived ZnO and ZnO:Al films; citation_author=Y Caglar, M Caglar, S Ilican; citation_volume=12; citation_publication_date=2012; citation_pages=963-968; citation_doi=10.1016/j.cap.2011.12.017; citation_id=CR5 citation_journal_title=Internationl Journal of Electrochemical Science.; citation_title=Facile electroless deposition of zinc oxide ultrathin film for zinc acetate solution-processed transistors; citation_author=MC Chu, HC You, J Meena, SH Shieh, CY Shao, FC Chang, FH Ko; citation_volume=7; citation_publication_date=2012; citation_pages=5977-5989; citation_id=CR6 citation_journal_title=Chinese Physics Letter; citation_author=V Dalouji, S Solaymani, L Dejam, SM Elahi, S Rezaee, D Mehrparvar; citation_volume=35; citation_issue=2; citation_publication_date=2018; citation_pages=027701; citation_doi=10.1088/0256-307X/35/2/027701; citation_id=CR7 citation_journal_title=Journal Physics D: Applied Physics; citation_title=Physical properties of chemical sprayed tin oxide and indium tin oxide transparent conductive films; citation_author=F Demichelis, E Minetti-Mezzetti, V Smurro, A Tagliagerro, E Tresso; citation_volume=18; citation_publication_date=1985; citation_pages=1825-1832; citation_doi=10.1088/0022-3727/18/9/013; citation_id=CR8 citation_journal_title=Applied Surface Science.; citation_title=Effect of sol concentration on the properties of ZnO thin films prepared by sol-gel technique; citation_author=M Dutta, S Mridha, D Basak; citation_volume=254; citation_publication_date=2008; citation_pages=2743-2747; citation_doi=10.1016/j.apsusc.2007.10.009; citation_id=CR9 citation_journal_title=Optik; citation_title=Refractive index controlled by film morphology and free carrier density in undoped in ZnO through sol-pH variation; citation_author=A Hamidi, K Meziane, A Hichou, T Jannane, A Liba, J Haskouri, P Amoros, A Almaggoussi; citation_volume=158; citation_publication_date=2018; citation_pages=1139-1146; citation_doi=10.1016/j.ijleo.2018.01.011; citation_id=CR10 citation_journal_title=Applied Surface Science; citation_title=Structural and optical properties of sputtered ZnO thin films; citation_author=S Flickyngerova, K Khtereva, V Stenova, D Hasko, I Novotny, V Tvarozek, P Sutta, E Vavrinsky; citation_volume=254; citation_publication_date=2008; citation_pages=3643-3647; citation_doi=10.1016/j.apsusc.2007.10.105; citation_id=CR11 citation_journal_title=Thin Solid Films; citation_title=The effect of thickness on optical, structural and growth mechanism of ZnO thin films prepared by magnetron sputtering; citation_author=RS Goncalves, P Barrozo, GI Brito, BC Viana, F Cunha; citation_volume=661; citation_publication_date=2018; citation_pages=40-45; citation_doi=10.1016/j.tsf.2018.07.008; citation_id=CR12 Gueymard, C.A., Myers, D., Emery, K. Proposed reference irradiation spectra for solar energy systems testing. Solar Energy. Vol 73. No. 6. Pg 443-467. (2002) citation_journal_title=Applied Surface Science; citation_title=Effect of aging time on the optical, structural and photoluminescence properties of nanocrystalline ZnO films prepared by a sol-gel method; citation_author=NB Ibrahim, SM Al-Shomar, SH Ahmed; citation_volume=283; citation_publication_date=2013; citation_pages=599-602; citation_doi=10.1016/j.apsusc.2013.06.155; citation_id=CR14 citation_journal_title=Thin Solid Films.; citation_title=Rectifying and breakdown voltage enhancement of Au/n-GaN Schottky diode with Al-doped ZnO films and its structural characterization; citation_author=V Janardhanam, I Jyothi, SN Lee, VR Reddy, CJ Choi; citation_volume=676; citation_publication_date=2019; citation_pages=125-132; citation_doi=10.1016/j.tsf.2019.03.007; citation_id=CR15 citation_journal_title=Reports on Progress in Physics.; citation_title=Fundamentals of zinc oxide as a semiconductor; citation_author=A Janotti, C Walle; citation_volume=72; citation_publication_date=2009; citation_pages=126501; citation_doi=10.1088/0034-4885/72/12/126501; citation_id=CR16 citation_journal_title=Reports on Progress in Physics.; citation_title=Fundamentals of zinc oxide as a semiconductor; citation_author=A Janotti, CG Walle; citation_volume=72; citation_publication_date=2009; citation_pages=126501; citation_doi=10.1088/0034-4885/72/12/126501; citation_id=CR17 citation_journal_title=Journal of Materials Science: Materilas in Electronics; citation_title=Effect of acetic acid and water content in the spray solution on structural, morphological, optical and electrical properties of Al and in co-doped zinc oxide thin films; citation_author=VK Jayaraman, AM Alvarez, M Bizarro, M Amador; citation_volume=29; citation_publication_date=2018; citation_pages=15321-15328; citation_id=CR18 citation_journal_title=The Journal of Physical Chemistry. C; citation_title=Band gap engineering of oxide photoelectrodes: characterization of ZnO1-xSex; citation_author=MA Mayer, KM Yu, DT Speaks, JD Denlinger, LA Reichertz, JW Beeman, EE Haller, W Walukiewicz; citation_volume=116; citation_publication_date=2012; citation_pages=15281-15289; citation_doi=10.1021/jp304481c; citation_id=CR19 citation_journal_title=Journal of Materials Science & Technology; citation_title=Effects of the annealing temperature on the structure and up-conversion photoluminescence of ZnO film; citation_author=X Meng, C Zhao, B Xu, P Wang, J Liu; citation_volume=34; citation_publication_date=2018; citation_pages=2392-2397; citation_doi=10.1016/j.jmst.2018.05.018; citation_id=CR20 Nakrela, A., Benramdane, N., Bouzidi, A., Kebbab, Z., Medles, M., & Mathieu, C. S. (2016). Site location of Al-dopant in ZnO lattice by exploiting the structural and optical characterisation of ZnO:Al thin films. Results in Physics, 6, 133–138.. citation_journal_title=Materials Science in Semiconductor Processing; citation_title=Spectroscopic characterization of CVD grown zinc oxide nanowires; citation_author=B Rabina, S Rai, BP Swain; citation_volume=102; citation_publication_date=2019; citation_pages=104592; citation_doi=10.1016/j.mssp.2019.104592; citation_id=CR22 citation_journal_title=Optics & Laser Technology.; citation_title=Experiments on ZnO:Ni thin films with under 1% nickel content; citation_author=S Rajeh, K Khirouni, M Amlouk, S Guermazi; citation_volume=69; citation_publication_date=2015; citation_pages=113-121; citation_doi=10.1016/j.optlastec.2014.12.020; citation_id=CR23 citation_journal_title=International Journal of Physical Science.; citation_title=Effect of zinc acetate concentration on the structural and optical properties of ZnO thin films deposited by sol-gel method; citation_author=M Saleem, L Fang, HB Ruan, F Wu, QL Huang, CL Xu, CY Kong; citation_volume=7; citation_issue=23; citation_publication_date=2012; citation_pages=2971-2979; citation_doi=10.5897/IJPS12.219; citation_id=CR24 citation_journal_title=Ceramics International.; citation_title=Role of defect states on nonlinear properties of 8 MeV electrons irradiated zinc oxide thin films under off-resonant regime; citation_author=KM Sandeep, S Bhat, SM Dharmaprakash; citation_volume=44; citation_publication_date=2018; citation_pages=9063-9069; citation_doi=10.1016/j.ceramint.2018.02.112; citation_id=CR25 citation_journal_title=Journal of Applied Physics.; citation_title=The role of oxygen vacancies in epitaxial-deposited ZnO thin films; citation_author=FK Shan, GX Liu, WJ Lee, BC Shin; citation_volume=101; citation_publication_date=2007; citation_pages=053106; citation_doi=10.1063/1.2437122; citation_id=CR26 citation_journal_title=Thin Solid Films; citation_title=Influence of thickness and growth temperature on the optical and electrical properties of ZnO thin films; citation_author=M Suchea, S Christoulakis, M Katharakis, N Vidakis, E Koudoumas; citation_volume=517; citation_publication_date=2009; citation_pages=4303-4306; citation_doi=10.1016/j.tsf.2008.11.143; citation_id=CR27 citation_journal_title=Journal of Applied Physics.; citation_title=Blue shift of optical band gap in ZnO thin films grown by metal-organic chemical-vapor deposition; citation_author=ST Tan, BJ Chen, XW Sun, WJ Fan, HS Kwok, XH Zhang, SJ Chua; citation_volume=98; citation_publication_date=2005; citation_pages=013505; citation_doi=10.1063/1.1940137; citation_id=CR28 citation_journal_title=Physica Status Solidi.; citation_title=Optical properties and electronic structure of amorphous germanium; citation_author=J Tauc, R Grigorovici, A Vancu; citation_volume=15; citation_issue=2; citation_publication_date=1966; citation_pages=627; citation_doi=10.1002/pssb.19660150224; citation_id=CR29 citation_journal_title=Thin Solid Films; citation_title=Structural and optical properties of ZnO films grown on ion-plated Ga doped ZnO buffer layers by atmospheric-pressure chemical vapor deposition using Zn and H2O as source materials; citation_author=T Terasako, Y Ochi, M Yagi, J Nomoto, T Yamamoto; citation_volume=663; citation_publication_date=2018; citation_pages=79-84; citation_doi=10.1016/j.tsf.2018.07.050; citation_id=CR30 citation_journal_title=Materials Chemistry and Physics; citation_title=DC reactive sputter deposition of ZnO:Al thin film on glass; citation_author=JM Ting, BS Tsai; citation_volume=72; citation_publication_date=2001; citation_pages=273-277; citation_doi=10.1016/S0254-0584(01)00451-5; citation_id=CR31 citation_journal_title=Applied Surface Science.; citation_author=ES Tuzemen, S Eker, H Kavak, R Esen; citation_volume=255; citation_publication_date=2009; citation_pages=6195-6200; citation_doi=10.1016/j.apsusc.2009.01.078; citation_id=CR32 citation_journal_title=Journal of Materials Science: Materials in Electronics; citation_title=Investigation of detailed physical properties and solar cell performances of various type rare earth elements doped ZnO thin films; citation_author=N Uzar; citation_volume=29; citation_publication_date=2018; citation_pages=10471-10479; citation_id=CR33 citation_journal_title=ACS Applied Materials & Interfaces.; citation_title=Oxygen vacancy induced band-gap narrowing and enhanced visible light photocatalytic activity of ZnO; citation_author=J Wang, Z Wang, B Huang, Y Ma, Y Liu, X Qin, X Zhang, Y Dia; citation_volume=4; citation_publication_date=2012; citation_pages=4024-4030; citation_doi=10.1021/am300835p; citation_id=CR34 citation_journal_title=Materials Science in Semiconductor Processing; citation_title=Study of the stabilizer influence on the structural and optical properties of sol gel spin coated zinc oxide films; citation_author=HB Wannes, RB Zaghousani; citation_volume=74; citation_publication_date=2018; citation_pages=80-87; citation_doi=10.1016/j.mssp.2017.10.017; citation_id=CR35 citation_journal_title=Optical Materials; citation_title=Structural, photoluminescence and picosecond nonlinear optical effects of in-doped ZnO nanowires; citation_author=XY Yan, CB Yao, J Li, JY Hu, QH Li, SB Yang; citation_volume=55; citation_publication_date=2016; citation_pages=73-77; citation_doi=10.1016/j.optmat.2016.03.016; citation_id=CR36 citation_journal_title=Journal of Alloys and Compound; citation_title=Effects of pH of the precursor sol on structural and optical properties of Cu-doped ZnO thin films; citation_author=H Yaun, M Xu, QZ Huang; citation_volume=616; citation_publication_date=2014; citation_pages=401-407; citation_doi=10.1016/j.jallcom.2014.07.070; citation_id=CR37 citation_journal_title=Journal of Alloys and Compounds.; citation_title=Blue Shift in absorption edge and widening of band gap of ZnO by Al doping and Al-N co-doping; citation_author=Q You, H Cai, Z Hu, P Liang, S Prucnal, S Zhou, J Sun, N Xu, J Wu; citation_volume=644; citation_publication_date=2015; citation_pages=528-533; citation_doi=10.1016/j.jallcom.2015.05.060; citation_id=CR38 citation_journal_title=RSC Advances; citation_title=Hybrid-functional calculations of electronic structure and phase stability of MO (M = Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Sr, Ba) and related ternary alloy MxZn1-xO; citation_author=J Yu, M Zhang, Z Zhang, S Wang, Y Wu; citation_volume=9; citation_publication_date=2019; citation_pages=8507; citation_doi=10.1039/C9RA00362B; citation_id=CR39 citation_journal_title=Advanced Functional Materials.; citation_title=Blue luminescence of ZnO nanoparticles based on non-equilibrium processes: defect origins and emission controls; citation_author=H Zen, G Duan, Y Li, S Yang, X Xu, W Cai; citation_volume=20; citation_publication_date=2010; citation_pages=561-572; citation_doi=10.1002/adfm.200901884; citation_id=CR40 citation_journal_title=Materials Science and Engineering B.; citation_title=Sol-gel-deposited ZnO thin films: a review; citation_author=L Znaidi; citation_volume=174; citation_publication_date=2010; citation_pages=18-30; citation_doi=10.1016/j.mseb.2010.07.001; citation_id=CR41