הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ייצור של ננו מהונדס תחמוצות שקופות לנהל בתצהיר ליזר פעם

15K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/50297

⸱

27 בפברואר 2013

 ,  ,  ,  , 
1Department of Energy and NEMAS - Center for NanoEngineered Materials and Surfaces, Politecnico di Milano, 2Center for Nano Science and Technology, Instituto Italiano di Tecnologia

במאמר זה

סיכום

אנו מתארים את השיטה הניסיונית להפקיד סרטים דקים תחמוצת nanostructured ידי תצהיר ליזר פעם שבריר שני (PLD) בנוכחות גז רקע. באמצעות שיטה זו אל מסומם ZnO סרטים (אזו), מקומפקטית לצורה היררכית כמו יערות ננו עץ, יכול להיות מופקד.

תקציר

הפקדת השבריר השני פעמה ליזר (PLD) בנוכחות גז רקע מאפשרת תצהיר של תחמוצות מתכת עם מורפולוגיה, מבנה, צפיפות והרכב מתכונן על ידי שליטה נכונה של דינמיקת התפשטות פלומת הפלזמה. צדדי כזו יכולה להיות מנוצל כדי להפיק סרטי nanostructured מהקומפקטי והדחוס לnanoporous המאופיין בהרכבה היררכית של אשכולות בגודל ננו. בפרט אנו מתארים את המתודולוגיה המפורטת לפברק שני סוגים של סרטי אל המסומם ZnO (אזו) כאלקטרודות שקופות בהתקני פוטו: 1) בשעת 2 O לחץ נמוך, סרטים קומפקטיים עם מוליכות חשמלית ושקיפות אופטית קרובה למדינה של האמנות תחמוצות ניהול שקופות (TCO) ניתן להפקיד בטמפרטורת חדר, כדי להיות תואם עם חומרים רגישים תרמי כגון פולימרים המשמשים photovoltaics האורגני (OPVs), 2) מבנה היררכי קל מאוד פיזור דמויים יער של ננו עצים הן לדרבןuced בלחצים גבוהים יותר. מבנים כאלה להראות גורם אובך גבוה (> 80%) ועשויים להיות מנוצלים כדי לשפר את יכולת לכידת האור. השיטה שתוארה כאן לסרטי אזו יכולה להיות מיושמת על תחמוצות מתכת אחרות רלוונטיות עבור יישומים טכנולוגיים כגון Tio 2, אל 2 O 3, WO 3 וAg 4 O 4.

מבוא

תצהיר ליזר פעם (PLD) מעסיק אבלציה ליזר של יעד מוצק שגורם להיווצרות של מיני ablated פלזמה שיכולה להיות מופקד על מצע לגדול סרט (ראה תרשים 1) 1. אינטראקציה עם אווירת רקע (אינרטי או ריאקטיבי) ניתן להשתמש כדי לגרום נוקלאציה אשכול הומוגנית בשלב הגז (ראה איור 2) 2,3. האסטרטגיה שלנו לסינתזת חומר על ידי PLD מבוססת על הכוונון של מאפיינים מהותיים בגישה מלמטה למעלה על ידי שליטה על דינמיקת הפלזמה שנוצרה בתהליך PLD בזהירות. גודל אשכול אנרגיה, קינטית והרכב יכולים להיות מגוונת על ידי הגדרה נכונה של פרמטרים המשפיעים על צמיחה בתצהיר סרט ותוצאה בשינויים מורפולוגיים 4.5 ומבניים. על ידי ניצול השיטה המתוארת כאן הפגנו, למספר התחמוצות (למשל WO 3, 4 Ag O 4, אל 2 3 Ond Tio 2), היכולת לכוון מורפולוגיה, צפיפות, הנקבובי, המידה של סדר מבני, Stoichiometry ושלב על ידי שינוי מבנה החומר ב6-11 קנה המידה ננומטרי. זה מאפשר עיצוב של חומרים עבור יישומים ספציפיים 12-16. בהתייחס ליישומי פוטו, אנחנו מסונתזים Tio 2 nanostructured מאורגן באופן היררכי על ידי חלקיקי הרכבה (<10 ננומטר) ובננו-mesostructure דומה "יער של עצים '13 מראים תוצאות מעניינות, כאשר הועסקו כphotoanodes בתאים סולריים רגישים לצבוע (DSSC ) 17. בהתבסס על התוצאות הקודמות אלה אנו מתארים את הפרוטוקול לתצהיר של סרטי אל המסומם ZnO (אזו) כתחמוצת שקופה לנהל.

תחמוצות ניהול שקופות (TCOs) הן bandgap גבוה (> 3 eV) חומרים הומרו למנצחים על ידי סימום כבד, מציג התנגדות <10 -3 אוהם סנטימטרים ויותר מ 80% transmi האופטיttance בטווח הנראה לעין. הם מרכיב מפתח ליישומים רבים כגון מסכי מגע ותאים סולריים 18-21 והם בדרך כלל גדלים על ידי טכניקות שונות כגון מקרטע בתצהיר, פעם ליזר, שיקוע כימי, פירוליזה תרסיס ועם שיטות כימיות פתרון מבוססים. בין TCOs, אינדיום פח התחמוצת (איטו) נחקרה באופן נרחב להתנגדות הנמוכה שלה, אבל סובלת מהחסרון של העלות הגבוהה וזמינות נמוכה של אינדיום. מחקר כרגע הולך לכיוון מערכות אינדיום חינם כגון ה-F-מסומם Sno 2 (FTO), אל המסומם ZnO (אזו) ו-F-מסומם ZnO (FZO).

אלקטרודות המסוגלים לספק ניהול חכם של אירוע האור (השמנת אור) הן מעניינות במיוחד עבור יישומי פוטו. כדי לנצל את האפשרות לאור הנראה באמצעות פיזור מבנים ומורפולוגיות מווסתים בקנה מידה דומים לאורך הגל של אור (300-1,000 ננומטר למשל), שליטה טובה עלמורפולוגיה סרט ועל ארכיטקטורות הרכבת מצרר היא זקוקים.

בפרט אנו מתארים איך לכוון מורפולוגיה ומבנה של סרטי אזו. הקומפקט אזו הופקד בלחץ נמוך (2 חמצן אבא) ובטמפרטורת חדר מאופיין בהתנגדות נמוכה (10 סנטימטרים 4.5 אוהם -4 x) ושקיפות אור הנראה (> 90%), שהנה תחרותי באזו הופקד בטמפרטורות גבוהות, ואילו אזו מבנה היררכי מתקבלים על ידי ablating ב2 לחצי O מעל 100 שבפנסילבניה מבנים אלה להציג יכולת פיזור אור חזקה עם גורם אובך עד 80% ויותר 22,23.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הכנת מצע

  1. לחתוך 1 הסנטימטר x 1 סנטימטר ממצעי סיליקון רקיק סי, הסיליקון הוא טוב לאפיון SEM (תצוגת מטוס וחתך).
  2. לחתוך 1 סנטימטר זכוכית 1 סנטימטר (סודת לימון, עובי 1 מ"מ), זכוכית היא אופטימלית לאפיון אופטי וחשמלי.
  3. אם אנשי קשר יש צורך במצעי זכוכית, קשר Au ניתן התאדה בואקום באמצעות מסיכה. הפקדה 10 ננומטר של CR כinterlayer כדי לשפר את ההידבקות של Au, 50 ננומטר ההפקדה של Au.
  4. לחתוך 1 סנטימטר x 1 סנטימטר מדגם פולימר (למשל tetrafluoroethylene אתילן, ETFE).
  5. נקה את המצעים ידי sonicating בisopropanol לדקות ולשטוף ב5-10 isopropanol, יבש באמצעות זרימת 2 N.

2. יישור ליזר ובחירת פרמטרי ליזר

  1. התחממות Nd: YAG ליזר ופליטה בחר רביעית הרמונית (266 ננומטר אורך גל) על ידי שימוש במחולל הרמוני רביעי (FHG) היוו ידי שני seגנרטורים מנצחים הרמוניים (SHG) במפל.
  2. הר wt 2%. אל 2 3 O:. יעד ZnO המעגלי (2 "קוטר) במניפולטור יעד יישור כתם הליזר במרכז המטרה, להתחיל סיבוב היעד ותרגום ולהגדיר את הטווח האנכי המרבי בדוק שכתם הליזר לא נוגע חיצוני. טבעת פלדה משמשת לקיבוע היעד. היעד מועבר בתנועת Roto-translational יש אבלציה האחידה של פני השטח כל היעד.
  3. בחר שיעור החזרה (למשל 10 הרץ) ודופק אנרגיה (למשל 75 mJ). התאם דופק אנרגיה ויציבות ליזר לפקח על ידי מד כוח.
  4. הזז את העדשה מתמקדת למיקום שנבחר ולהשתמש בפיסת נייר רגיש המצורפים ליעד כדי למדוד את גודל הנקודה. על כל מיקום של יריות מתמקדות עדשות אש 1-5 ליזר על נייר. בחר מיקום עדשה יש fluence ליזר של כ 1 סנטימטר J / 2.

3. הגדרת PLDבחירה של ד פרמטרי הפקדה

  1. יישור של עמדת מצע
    1. הר גיליון נייר מעגלי על 2 "קוטר כמצע לבדיקות יישור.
    2. הזז את בעל המצע למרחק היעד למצע ד TS = 50 מ"מ.
    3. להתחיל לשאוב את החדר עם משאבות ראשיות וturbomolecular עד רמת הוואקום מגיעה 10 -2 פנסילבניה
    4. בחר סוג גז (כלומר חמצן) ולהתאים את מהירות שאיבה וזרימת גז ליש לחץ הגז התקין (ראה סעיפים 4 ו 5). להתאים את מצב xy של מניפולטור המצע מחוץ הציר ביחס למרכז הפלומה להשיג עובי סרט אחיד על פני עטרה מעגלית.
    5. התחל אבלציה על ידי הסרת פקק מטר הקרן / חשמל. אם המטרה היא חדשה או אם זה לא היה בשימוש במשך זמן רב, אבלציה מראש זה הכרחי כדי לנקות את היעד.
    6. עצור אבלציה כאשר ניתן לראות בהפקדת Paper מסתכל מנקודת מבט.
  2. קביעת אורך פלומת פלזמה
    1. בצע את הפעולות 3.1.1. ל3.1.5, במהלך אבלציה לצלם עם מצלמה דיגיטלית עם 0.5 - זמן 1 שניות הצטברות לממוצע מעל תימרות פלזמה שונות.
    2. מדוד את אורך פלומת הפלזמה הגלויה מצילום התמונות ד TS כהפניה (ראה איור 3).
  3. כיול עובי הסרט
    1. הזז את המצע רחוק מהיעד (100 מ"מ כלומר ועוד) ולהעביר את היתרה למייקרו קוורץ (QCM) במרחק השווה לד TS מהיעד.
    2. הפקדת 1000 יריות ליזר (1 כלומר '40'') ולמדוד את ערך המסה הופקד, ולאחר מכן להעביר את QCM משם.
    3. הר מצע Si כמו ב1.1.
    4. להפקיד בדיקת מדגם (18,000 יריות כגון ליזר, כלומר 30 ') ולהשתמש בתמונות SEM sectional צולבות לגalibrate תצהיר השיעור (ננומטר / דופק).

4. תצהיר של אזו סרטי nanoengineered

  1. הר המצעים שהוכנו כאמור בסעיף 1 ב מניפולטור בעל המדגם באמצעות סרט דבק.
  2. בצע את פעולות 3.1.2 - 3.1.3.
  3. התחל סיבוב מצע.
  4. תצהיר של סרטי אזו הקומפקטיים
    1. הפעל את אקדח היונים ואנרגית יון סט ב 100 eV, כוח RF ב75-100 W ושטף גז Ar ב 20 SCCM (הלחץ הוא בטווח 10 -2 אבא). מצעים נקיים עם אר + אקדח יון לדקות 5-10. לאחר כניסת הגז הקרובה ניקוי הטיפול ולשאוב את החדר להסיר ארגון.
    2. הכנס גז חמצן ולהתאים את המהירות ושטף שאיבת גז לחמצן יש אבא 2.
    3. להתחיל אבלציה והפקדה ל18,000 יריות (30 '). במהלך בדיקת אבלציה שאורך הפלומה הוא זהה כפי שנקבע בשלב 3.2.
    4. תפסיק אבלציה, גרם קרובכמפרצון, לשאוב את החדר.
  5. תצהיר של סרטי אזו היררכי המובנים
    1. הכנס גז חמצן ולהתאים את מהירות שאיבה וזרימת גז לחמצן יש אבא 160.
    2. להתחיל אבלציה והפקדה ל18,000 יריות (30 '). במהלך בדיקת אבלציה שאורך הפלומה הוא זהה כפי שנקבע בשלב 3.2.
    3. תפסיק אבלציה מפרצון, קרוב גז, לשאוב את החדר.
  6. Vent הקאמרי ולהסיר דגימות

5. אפיון חשמלי ואופטי

  1. מדוד את מאפייני התחבורה במטוס באמצעות טכניקות ארבע בדיקה (כלומר שיטת אן דר Pauw). ראה תרשים 4 לתכנית של אנשי הקשר. ערכים אופייניים של הבדיקה הנוכחית הם בμA 1 עד הטווח של 10 אמפר. המדידות מתבצעות על פני שטח מדגם מצטמצם ל -0.7 סנטימטרים x 0.7 סנטימטר, כדי להבטיח אחידות עובי טובה יותר (כ 5%).
  2. מדוד את אופטיקההעברת l של המדגם ושל המצע החשוף. תקן את הספקטרום לתרומת המצע על ידי הגדרה עד 1 בעצמה בממשק הזכוכית / סרט. להליך תיקון מדויק לוודא שהדגימה היא רכובה עם מצע הזכוכית מול קורה האירוע. לקבוע את שקיפות האור הנראה על ידי החישוב הממוצעת ההעברה בטווח 400-700 ננומטר. השתמש בתחום שילוב בקוטר 150 מ"מ כדי למדוד את השבר המפוזר של האור, גורם האובך ניתן לחשב על ידי חלוקת השבריר המפוזר על ידי האור המועבר הכולל (כלומר מפוזר ומועבר קדימה), ראה איור 5.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

התצהיר של אזו ידי PLD באווירת חמצן מייצר סרטי ניהול שקופים קומפקטיים בלחץ נמוך רקע גז (כלומר 2 אבא) ומבני יער דמוי mesoporous היוו באשכולות התאספו היררכי בלחצים גבוהים (כלומר 160 אבא). החומר היווה ידי תחומי nanocrystalline גודלם מקסימאלי הוא (30 ננומטר) בשעת 2 22 אבא.

עקב התנגשויות בין מיני ablated וגז הרקע, הצורה והאורך של פלומת הפלזמה משתנות באופן משמעותי עם לחץ החמצן בתא. (ראה סכמה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

צורת פלומת הפלזמה היא קשורה קשר הדוק לתהליך אבלציה, במיוחד בנוכחות של גז; ניטור פלומת הפלזמה על ידי בדיקה חזותית חשוב לשלוט בתצהיר. בעת הפקדת תחמוצת מתכת על ידי ablating יעד תחמוצת, חמצן דרוש כדי לתמוך בהפסדי חמצן במהלך תהליך אבלציה. ברקע לחץ גז חמצן נמוך יותר, חומר המופקד עשוי להיות פנוי חמצן. השפעה זו היא מופחתת על ידי הגדלת לחץ הגז. כדי להפריד Stoichiometry מתערובות גז מורפולוגיה (כלומר ער: O 2 או הוא: O 2) ניתן להשתמש: גז אינרטי לכוון מורפולוגיה ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
שם מגיב / חומרים חברה מספר קטלוגים
ליזר פעם רצף-Quantronix Powerlite 8010
מד כוח קוהירנט FieldMaxII-TO
היון Gun הגמל השלם Dep RFMax60
בקר זרימה המונית הח"כים 2179 °
Microbalance קוורץ קריסטל Infcon XTC / 2
גז רקע Rivoira-Praxair 5.0 חמצן
יעד הקורט Lesker (עשה על פי בקשה)
Isopropanol סיגמה אולדריץ 190764-2L
מקור מטר Keithley K2400
מגנט קיט Ecopia 0.55T-Kit
ספקטרופוטומטר PerkinElmer למבדה 1050

מקורות

  1. Pulsed Laser Deposition of Thin Films. Chrisey, D. B., Hubler, G. K. , John Wiley & Sons. New York. (1994).
  2. Lowndes, D. H., Geohegan, D. B., Puretzky, A. A., Norton, D. P., Rouleau, C. M. Synthesis of novel thin-film materials by pulsed laser deposition. Science. 273, 898(1996).
  3. Di Fonzo, F., Bailini, A., Russo, V., Baserga, A., Cattaneo, D., Beghi, M. G., Ossi, P. M., Casari, C. S., Li Bassi, A., Bottani, C. E. Synthesis and characterization of nanostructured tungsten and tungsten oxide films. Catalysis Today. 116, 69-73 (2006).
  4. Casari, C. S., Foglio, S., Passoni, M., Siviero, F., Bottani, C. E., Li Bassi, A. Energetic regimes and growth mechanisms of pulsed laser deposited Pd clusters on Au(111) investigated by in situ Scanning Tunneling Microscopy. Physical Review B. 84 (111), 155441(2011).
  5. Cattaneo, D., Foglio, S., Casari, C. S., Li Bassi, A., Passoni, M., Bottani, C. E. Different W cluster deposition regimes in pulsed laser ablation observed by in situ Scanning Tunneling Microscopy. Surface Science. 601, 1892-1897 (2007).
  6. Bailini, A., Di Fonzo, F., Fusi, M., Casari, C. S., Li Bassi, A., Russo, V., Baserga, A., Bottani, C. E. Pulsed laser deposition of tungsten and tungsten oxide thin films with tailored structure at the nano- and mesoscale. Applied Surface Science. 253, 8130-8135 (2007).
  7. Fusi, M., Russo, V., Casari, C. S., Li Bassi, A., A,, Bottani, C. E. Titanium oxide nanostructured films by reactive pulsed laser deposition. Applied Surface Science. 255 (10), 5334-5337 (2009).
  8. Dellasega, D., Facibeni, A., Fonzo, F. D. i, Russo, V., Conti, C., Ducati, C., Casari, C. S., Li Bassi, A., Bottani, C. E. Nanostructured High Valence Silver Oxide Produced by Pulsed laser Deposition. Applied Surface Science. 255 (10), 5248-5251 (2009).
  9. Di Fonzo, F., Tonini, D., Li Bassi, A., Casari, C. S., Beghi, M. G., Bottani, C. E., Gastaldi, D., Vena, P., Contro, R. Growth regimes in pulsed laser deposition of alumina films. Applied Physics A. 93, 765-769 (2008).
  10. Bailini, A., Donati, F., Zamboni, M., Russo, V., Passoni, M., Casari, C. S., Li Bassi, A., Bottani, C. E. Pulsed Laser Deposition of Bi2Te3 Thermoelectric Films. Applied Surface Science. 254, 1249-1254 (2007).
  11. Baserga, A., Russo, V., Fonzo, F. D. i, Bailini, A., Cattaneo, D., Casari, C. S., Li Bassi, A., Bottani, C. E. Nanostructured Tungsten Oxide With Controlled Properties: Synthesis And Raman Characterization. Thin Solid Films. 515, 6465-6469 (2007).
  12. Dellasega, D., Facibeni, A., Di Fonzo, F., Bogana, M., Polissi, A., Conti, C., Ducati, C., Casari, C. S., Li Bassi, A., Bottani, C. E. Nanostructured Ag4O4 films with enhanced antibacterial activity. Nanotechnology. 19, 475602(2008).
  13. Fonzo, F. D. i, Casari, C. S., Russo, V., Brunella, M. F., Li Bassi, A., Bottani, C. E. Hierarchically organized nanostructured TiO2 for photocatalysis applications. Nanotechnology. 20, 015604(2009).
  14. Torta, F., Fusi, M., Casari, C. S., Bottani, C. E., Bachi, A. Titanium Dioxide Coated MALDI plate for on target Analysis of Phosphopeptides. Journal of Proteome Research. 8, 1932-1942 (2009).
  15. Ponzoni, A., Russo, V., Bailini, A., Casari, C. S., Ferroni, M., Li Bassi, A., Migliori, A., Morandi, V., Ortolani, L., Sberveglieri, G., Bottani, C. E. Structural And Gas-Sensing Characterization Of Tungsten Oxide Nanorods And Nanoparticles. Sensors & Actuators: B. Chemical B. 153, 340-346 (2011).
  16. Li Bassi, A., Bailini, A., Donati, F., Russo, V., Passoni, M., Mantegazza, A., Casari, C. S., Bottani, C. E. Thermoelectric properties of Bi-Te Films with controlled structure and morphology. Journal of Applied Physics. 105, 124307(2009).
  17. Sauvage, F., Di Fonzo, F., Li Bassi, A., Casari, C. S., Russo, V., Divitini, G., Ducati, C., Bottani, C. E., Comte, P., Graetzel, M. Bio-inspired hierarchical TiO2 photo-anode for dye-sensitized solar cells. Nano Letters. 10, 2562-2567 (2010).
  18. Grankvist, C. G. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review. Solar Energy Materials & Solar Cells. 91, 1529(2007).
  19. Minami, T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes. Semicond. Sci. Technol. 20, S35(2005).
  20. Fortunato, E., et al. Transparent Conducting Oxides for Photovoltaics. MRS Bulletin. 32, 242(2007).
  21. Exarhos, G. J., et al. Discovery-based design of transparent conducting oxide films. Thin Solid Films. 515, 7025(2007).
  22. Gondoni, P., Ghidelli, M., Fonzo, F. D. i, Russo, V., Bruno, P., Mart-Rujas, J., Bottani, C. E., Li Bassi, A., Casari, C. S. Structural and functional properties of Al:ZnO thin films grown by Pulsed Laser Deposition at room temperature. Thin Solid Films. 520, 4707-4711 (2012).
  23. Gondoni, P., Ghidelli, M., Fonzo, F. D. i, Carminati, M., Russo, V., Li Bassi, A., Casari, C. S. Structure-dependent optical and electrical transport properties of nanostructured Al-doped ZnO. Nanotechnology. 23, 365706(2012).
  24. Casari, C. S., Li Bassi, A. Pulsed Laser Deposition of Nanostructured Oxides: from Clusters to Functional Films. Advances in Laser and Optics Research. Arkin, W. T. 7, Nova Science Publishers Inc. 65-100 (2012).
  25. Amoruso, S., Sambri, A., Vitiello, M., Wang, X. Plume expansion dynamics during laser ablation of manganates in oxygen atmosphere. Applied Surface Science. 252, 4712-4716 (2006).
  26. Uccello, A., Dellasega, D., Perissinotto, S., Lecis, N., Passoni, M. Nanostructured Rhodium Films for Advanced Mirrors Produced by Pulsed Laser Deposition. Journal of Nuclear Materials. , Accepted (2013).
  27. Gondoni, P., Ghidelli, M., Fonzo, F. D. i, Russo, V., Bruno, P., Martí-Rujas, J., Bottani, C. E., Li Bassi, A., Casari, C. S. Highly Performing Al:ZnO Thin Films grown by Pulsed Laser Deposition at Room Temperature. Nanoscience and Nanotechnology. , Accepted (2013).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

ZnO
ייצור של ננו מהונדס תחמוצות שקופות לנהל בתצהיר ליזר פעם
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.