Получение прозрачных проводящих нанокристаллических пленок оксида цинка методом импульсного лазерного осаждения

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 537. 9
ПОЛУЧЕНИЕ ПРОЗРАЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ
Вакулов Д. Е., Вакулов З. Е., Замбург Е. Г., Ивонин М. Н., Шумов А. В.
ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»
Ростов-на-Дону, e-mail: zamburg. evgeniy@gmail. com
Получены прозрачные проводящие нанокристаллические пленки на основе оксида цинка. Проведены исследования влияния расстояния мишень-подложка при импульсном лазерном осаждении на электрофизические параметры нанокристаллических пленок ZnO. Установлено, что с увеличением расстояния мишень-подложка подвижность электронов в полученных нанокристаллических пленках ZnO уменьшается от 24 до 13 см2/В-с- удельное сопротивление увеличивается в пределах от 2,4−10−3 до 5,3−10−3 Омсм- шероховатость уменьшается от 3,2 до 2,7 нм- средний диаметр зерна лежит в диапазоне от 76 до 82 нм. Полученные нанокристаллические пленки ZnO имеют малую шероховатость поверхности и низкое электрическое сопротивление в достаточно широком диапазоне технологических режимов, необходимых для создания прозрачных проводящих покрытий. Результаты исследований могут быть использованы при разработке чувствительных элементов сенсорных устройств, оптоэлектронных приборов, солнечных элементов, фотовольтаических преобразователей, транзисторных структур на основе прозрачных проводящих пленок ZnO.
Ключевые слова: нанотехнологии, прозрачные проводящие покрытия, нанокристаллические пленки, оксид цинка, импульсное лазерное осаждение
FORMING TRANSPARENT CONDUCTIVE NANOCRYSTALLINE ZNO FILMS BY PULSED LASER DEPOSITION Vakulov D.E., Vakulov Z.E., Zamburg E.G., Ivonin M.N., Shumov A.V.
Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education «Southern Federal University», Rostov-on-Don, e-mail: zamburg. evgeniy@gmail. com
We have developed a technology of producing transparent conductive nano crystal line films of ZnO. Experimental researching were carried out in the module of pulsed laser deposition at multifunctional ultrahigh nanotechnological facilities NanoFab STC-9. Exploration of the surface morplogy of ZnO films used Probe NanoLaboratory NTEGRA Vita, and Hall-effect measurements for measure electrical parameters. We have done analysis of the relationship electrical and morphological characteristics of target-substrate distance at pulsed laser deposition. It was found that increasing target-substrate distance facilitates reducing electron mobility and roughless of surface in the nanocrystalline ZnO films- resistivity increase with augmentation this distance. Transparent conductive nanocrystalline ZnO films which have been obtained, have a low surface roughness and electrical resistance in a wide range of process condition required to create transparent conductive coverage. The researching results can be used to develop sensors, optoelectronic devices, solar cells, photovoltaic inverters, transistor structures based on transparent conductive films of ZnO.
Keywords: nanotechnology, transparent conductive oxides, ZnO, nanocrystalline films, pulsed laser deposition (PLD)
Оксид цинка является одним из наиболее перспективных материалов для создания приборов наноэлектроники и наносистем-ной техники. Интерес обусловлен рядом электрофизических свойств 2п0: высокой температурой плавления и теплопроводностью, фоточувствительностью, пьезо- и пироэффектом, широкой запрещенной зоной, большой экситонной энергией, химической стабильностью, биологической совместимостью, что позволяет использовать 2п0 в качестве прозрачного проводящего оксидного материала. Оксид цинка обладает низким удельным сопротивлением и хорошими оптическими свойствами и является одним из самых перспективных материалов для создания прозрачных проводящих покрытий [5].
Задача получения покрытий с высокой проводимостью при низких температурах подложки (ниже 300°С) и без последую-
щей операции отжига является актуальной, например, при изготовлении многослойных покрытий солнечных батарей (так как при низкой температуре замедляются процессы взаимной диффузии слоев), или при напылении проводящих покрытий на полимерные подложки при температурах, не превышающих температуру размягчения материала.
Однако разработанные к настоящему времени способы термического испарения обеспечивают получение прозрачных проводящих пленок на основе 2пО с низким удельным сопротивлением только при температуре выше температуры размягчения полимерных подложек, что ограничивает область их возможного применения [4].
Целью работы является получение прозрачных проводящих нанокристаллических пленок на основе оксида цинка методом импульсного лазерного осаждения.
В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ № 11, 2012 В
Материалы и методы исследования
Одним из наиболее перспективных методов получения наноструктурированных пленок оксидов является метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО) [2]. В ходе ИЛО происходит распыление мишени в вакууме импульсами лазера и осаждение ма-
териала мишени на подложку, как показано на рис. 1. Достоинствами этого метода является простота реализации, высокая скорость напыления, одинаково хорошее испарение всех химических элементов, содержащихся в мишени [3]. При испарении мишеней при определенных условиях можно получить пленку необходимого стехиометрического состава.
Рис. 1. Схема метода ИЛО
Электрофизические свойства нанокристал-лических пленок оксида цинка зависят от энергии испаренных частиц, которая регулируется изменением расстояния мишень-нодложка нри ИЛО [1].
Экспериментальные исследования проводились в модуле импульсного лазерного осаждения многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО «НТ — МДТ», Зеленоград), представленного на рис. 2.
В FUNDAMENTAL RESEARCH № 11, 2012 В
Для исследований морфологии поверхности пленок ZnO использовалась Зондовая Нанолаборатория NTEGRA Vita (ЗАО «НТ — МДТ», Зеленоград). Измерения электрических параметров проводились с помощью системы измерений эффекта Холла HMS-3000 (EcopiaCorp., Корея).
Камера модуля импульсного лазерного осаждения откачивалась с помощью турбомолекулярного насоса до давления 110−6 Торр. Осаждение ZnO проводилось на ситалловые подложки размером 1,5*1,5 см. Плотность энергии лазерного излучения на поверхности мишени
2пО составляла 2 Дж/см2, длина волны лазерного излучения 248 нм, длительность импульса 20 нс. Расстояние мишень-подложка изменялось в диапазоне 75−135 мм.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате проведенного эксперимента получены нанокристаллические пленки п-2пО, АСМ-изображения которых представлены на рис. 3.
0″ м О"
to U 1. 1
U U М U MM
Рис. 3. АСМ-изображения нанокристаллических пленок ZnO, полученных при расстоянии мишень-подложка 75 мм (а), 85 мм (б), 95 мм (в), 135 мм (г)
Установлено, что с увеличением расстояния мишень-подложка подвижность электронов в полученных нанокристал-лических пленках 2пО уменьшается от 24 до 13 см2/Вс- удельное сопротивление увеличивается в пределах от 2,4 • 10−3 до 5,3 10−3 Омсм- шероховатость уменьшается от 3,2 до 2,7 нм- средний диаметр зерна лежит в диапазоне от 76 до 82 нм. Данные зависимости представлены на рис. 4. Таким образом, параметры полученных прозрачных проводящих нанокристаллических пленок 2пО являются стабильны-
ми в широком диапазоне технологических режимов.
Полученные нанокристаллические пленки 2пО имеют малую шероховатость поверхности и низкое электрическое сопротивление в достаточно широком диапазоне технологических режимов, необходимых для создания прозрачных проводящих покрытий. Таким образом, при совмещении технологии создания структур с использованием прозрачных проводящих покрытий на основе 2пО с кремниевой технологией снижаются требования к выбору режимов.
В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ № 11, 2G12 В
I
S?
& amp-?
§
X '-
26
24
22
& gt-20
15
16 14 12 10
¦
i
15
I| 8 ~
6. 0E-3
5,5E-3
5,0E-3
4. 5E-3
4,0E-3
3. 5E-3
3: 0E-3
2,5E-3
2. QE-3


г
¦

* t

*
70 90 110 130 150
Расстояние мишень — подложка (мм)
а
70 90 110 130 150
Расстояние мишень-подложка (мм)
б
3. 8
3. 6
3.4 3,2
3
2. 8
2. 6
2. 4
?
¦
86
84
'-82
¦80
. 78
76
. 74
'-72
70
70 90 110 130 150
Расстояние мишень-подложка (мм) в
70 90 110 130
Расстояние мишень-подложка (мм) г
150
Рис. 4. Зависимость подвижности электронов (а), удельного сопротивления (б), шероховатости поверхности (в), диаметра зерна (г) нанокристаллических пленок 2п0
от расстояния мишень-подложка
Заключение
Полученные результаты могут быть использованы при разработке чувствительных элементов сенсорных устройств, оптоэлектронных приборов, солнечных элементов, фотовольтаических преобразователей, транзисторных структур на основе прозрачных проводящих пленок ZnO.
Работа выполнена при поддержке государственными соглашениями № 14. A18. 21. 0107, № 12−08−90 045/12, № 14.
А18. 21. 0126, № 14. A18. 21. 0923, № 14.
A18. 21. 0933, № 14. A18. 21. 0900, № 14.
A18. 21. 0887, № 14. A18. 21. 1206 в рамках
проектов РФФИ и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009−2013 годы.
Список литературы
1. Получение наноразмерных структур на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 /
О. А. Агеев, А. С. Коломийцев, А. В. Михайличенко, В. А. Смирнов, В. В. Пташник, М. С. Солодовник, А. А. Федотов, Е. Г Зам-бург, В. С. Климин, О. И. Ильин, А. Л. Громов, А.В. Рукомой-кин // Известия Южного федерального университета. Технические науки. — 2011.- Т. 114. — № 1.- С. 109−116.
2. Коноплев Б. Г., Агеев О. А. Элионные зондовые нанотехнологии для микро- и наносистемной техники // Известия ЮФУ Технические науки. — 2008. — № 12 (89). — C. 165−175.
3. Caricato A. P, Creti A., Luchesa A., Lomascolo M., Martino M., Rella R., Valerini D. Zinc Oxide Nanostructured Layers for Gas Sensing Applications // Laser Physics. — 2011. -T 21.- № 3. — P. 588−597.
4. May-Smith T. Pulsed laser deposition of thick multilayer garnet crystal films for waveguide laser devices // Thesis submitted for the Degree of Doctor of Philosophy. University of Southhampton. — 2005. — P. 31.
5. Zhong Lin Wang. ZnO nanowire and nanobelt platform for nanotechnology // Materials Science and Engineering R. -2009.- № 64. — P. 33−71.
References
1. Ageev O.A., Kolomijcev A.S., Mihajlichenko A.V., Smirnov V.A., Ptashnik V.V., Solodovnik M.S., Fedotov A.A., Zamburg E.G., Klimin VS., Il’in O.I., Gromov A.L., Rukomo-jkin A.V., Izvestija Juzhnogo federal’nogo universiteta. Tehnich-eskie nauki, 2011, T. 114, no. 1, pp. 109 -116.
2. Konoplev B.G., Ageev O.A., Izvestija JuFU. Tehnich-eskie nauki, 2008, no. 12 (89), pp. 165−175.
3. Caricato A. P., Creti A., Luchesa A., Lomascolo M., Martino M., Rella R., Valerini D., Laser Physics, 2011, T. 21, no. 3, pp. 588−597.
4. May-Smith T., Thesis submitted for the Degree of Doctor of Philosophy. University of Southhampton, 2005, p. 31.
5. Zhong Lin Wang, Materials Science and Engineering R., 2009, no. 64, pp. 33−71
Рецензенты:
Жорник А. И., д.ф. -м.н., профессор кафедры теоретической, общей физики и технологии, Физико-математического факультета, ФГБОУ ВПО «Таганрогский государственный педагогический институт имени А. П. Чехова, г. Таганрог-
Рындин Е. А., д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник Южного научного центра Российской академии наук (ЮНЦ РАН), г. Ростов-на-Дону.
Работа поступила в редакцию 16. 10. 2012.
¦ FUNDAMENTAL RESEARCH № 11, 2012 ¦

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой