ניאוביום אוקסיד סרטים שהופקדו על ידי התזה ראקטיבית: השפעת קצב זרימת החמצן
28 בספטמבר 2019
כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור ניאוביום בסרטי תחמוצת התצהיר על ידי התזה תגובתי עם שונים זרימת חמצן שיעורי לשימוש כשכבת התחבורה אלקטרון בתאי השמש פרוביסקיט.
בטכניקת sputter תגובתי אפשר לקבל שליטה עדין של הפרמטרים המאפשר להפקיד אדים תחמוצת ניאוביום עם stochiometer שונה העדפה. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא התצהיר של אדים הומוגניים עם הידבקות טובה על פני שטחים גדולים בעלות נמוכה ומעכב נמוך של הייצור. חשוב לשים לב לכל שלב ולא לדלג על כל צעד.
ההבנה כיצד להתמודד עם ציוד ואת המראה הסופי של האדים מסייע להשיג תצהיר טוב. התחל על ידי הגנה על משטח המצע עם סרט תרמי, משאיר 0.5 ס"מ של צד אחד חשוף. להפקיד מספיק אבקת אבץ כדי לכסות את האזור כדי להיות חרוט על החלק העליון של תחמוצת דקה פלואוריד חשוף.
ואז לאט לאט טיפה חומצה הידרוכלורית מרוכזת עד שכל אבקת האבץ נצרכת על ידי התגובה. מיד לשטוף את המצע עם מים מיונים. הסר את הקלטת.
ו sonicate המצע עם סבון במשך 15 דקות, ואחריו פעמיים במים, אצטון, ואלכוהול איזופרופנול. לאחר תיקון המצע באמצעות מסכת צל מתכת, מניחים את המצע לתוך התא sputtering. לאחר איטום התא, הפעל את המשאבה המכונאית והפעיל את משאבת הטורבו המולקולרית.
כאשר הוואקום מגיע חמש פעמים 10 כדי טור חמש שלילי, לפתוח את מערכת מצנן המים ולהפעיל את מערכת חימום המצע. הגדר את הטמפרטורה ל 500 מעלות צלזיוס, הגדלת 100 מעלות צלזיוס כל חמש דקות עד שהוא מגיע לערך הרצוי. הגדר את הארגון ל- 40 SCCM, ואת החמצן לשלושה סנטימטרים מעוקבים סטנדרטיים לדקה.
להכניס ארגון לתא. והגדר את הלחץ לחמש פעמים 10 לשלושת הטור השליליים, ותדר הרדיו ל-120 וואט. הפעל את תדר הרדיו.
שימוש בתיבה התאמת בלתי מכשולים כדי לכוונן את התדר לפי הצורך. אם הפלזמה לא מתחילה, להגביר את הלחץ לאט עד שהוא מגיע פעמיים 10 כדי טור שני שלילי. באמצעות שסתום שער שניתן לפתוח או לסגור כדי לשנות את קצב השאיבה כדי להגדיר את הלחץ.
שמור את הפלזמה ב 120 וואט במשך 10 דקות כדי לנקות את היעד ניאוביום ולהסיר כל שכבת תחמוצת נוכח על פני השטח שלה. לאחר הייצוב, להכניס חמצן לתא, להגדיר את כוח RF ל 240 וואט, ולפתוח את תריס המצע. התחל את התצהיר ולהגדיר את זמן התצהיר, כדי להשיג עובי סופי של 100 ננומטר.
מיד עם השלמת התצהיר, סגור את התריס, כבה את תדר הרדיו, סגור את הגזים והקטן את טמפרטורת המצע. כאשר טמפרטורת המצע מגיעה לטמפרטורת החדר, הציגו אוויר כדי לבסס מחדש את לחץ הסביבה לפני פתיחת התא, והסרת המצע. לבניית תאים סולריים, יש להגן על שני צידי המצע באמצעות פיסת סרט הדבקה ולהשתמש במעיל ספין ב-4,000 סיבובים בדקה למשך 30 שניות כדי להפקיד שכבת טיטניום דו-חמצני מזופורית על שכבת תחמוצת הניוביום.
לאחר מכן מניחים את המצע בתנור בהתאם לרצף ההתחממות המצוין. כאשר התנור מגיע לטמפרטורת החדר, השתמש במעיל הספין כדי להפקיד שתי שכבות של יודיד עופרת לשכבת הטיטניום הדו-חמצני ב- 6, 000 סיבובים לדקה למשך 90 שניות. מניחים את המצע על צלחת חמה או 70 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות לאחר כל תצהיר.
לאחר הטיפול בחום, זרוק 300 מיליליטר של פתרון מתילמוניום יודיד על שכבות יודיד להוביל ולחכות 20 שניות לפני ספינינג ב 4, 000 סיבובים לדקה במשך 30 שניות. בסוף הסיבוב, מניחים את המצע על צלחת חמה במשך 10 דקות ב 100 מעלות צלזיוס, לפני הפקדת פתרון Spiro OMetTAD על גבי שכבת פרוביסקיט במעיל ספין ב 4, 000 סיבובים לדקה במשך 30 שניות. לאחר מכן לאחסן את הסרטים ב desiccator באוויר לילה כדי לחמצן Spiro OMetTAD.
למחרת בבוקר, לגרד את הסרט perovskite לחשוף את FTO. השתמש במסכת צל כדי להפקיד מגע זהב במכונת אידוי בקצב של 0.2 אנגסטרום לשנייה עד העובי מגיע חמישה ננומטר, לפני הגדלת הקצב לאנגסטרום אחד לשנייה כדי לקבל 17 ננומטר של מגע זהב. אז התא מוכן להיבדק.
במערכת sputtering, שיעור התצהיר מושפע מאוד על ידי קצב זרימת החמצן, ירידה כאשר זרימת החמצן עולה. לדוגמה, משלושה עד ארבעה SCCM, יש ירידה אקספרסיבית בשיעור התצהיר. כאשר החמצן גדל, מארבעה עד 10 SCCM אולם שיעור התצהיר הופך להיות פחות בולט.
שלב תחמוצת הניוביום שנוצר תלוי בקצב זרימת החמצן, ולזרימות של פחות משלושה דו תחמוצת ניאוביום SCCM הוא השלב העיקרי שנוצר. עבור זרימות שוות או גבוהות מ- 3.5 SCCM, נפח החמצן גבוה מכדי ליצור ניאוביום דו-חמצני. במקום זאת, ניאוביום פנטוקסיד נצפה כשלב העיקרי.
תמונות אלקטרו-מיקרוסקופיה מראות את החלקיקים הכדוריים הננומטריים של הסרטים שהופקדים בשלוש נקודות חמש, ארבע ו-10 SCCM. לעומת זאת, הסרט שהופקד בשלושה SCCM חושף חלקיקים בצורת גיליון. הסרטים שהופקד על ידי sputtering תגובתי בשיעורי זרימת חמצן שונים להפגין תכונות חשמליות שונות.
מוליכות הסרטים עולה כאשר נעשה שימוש בשלושה SCCM של חמצן. כאשר קצב זרימת החמצן הוא גדל לשלוש נקודה חמש, ארבע או 10 SCCM, ירידה המוליכות נצפתה. הביצועים של תאים סולריים פרוביסקיט גם תלוי תחמוצת ניאוביום בשימוש.
כתא עשוי עם שכבות הובלת אלקטרונים שהופקד בשלוש נקודות חמש SCCM יש את הביצועים הטובים ביותר עם זרם קצר הגבוה ביותר. זכור לבדוק כי כל הפרמטרים מוגדרים כראוי לפני תחילת התצהיר של סרטי תחמוצת ניאוביום. סרטי תחמוצות ניאוביום יכולים גם להיות הגורם ש דוחה פתרונות כימיים.
עם זאת, המתכת אינה מאפשרת תצהיר של סטואיכיומטריה שונה. הוא הפיתוח של חלקים המנתחים כיצד מוליכות אדי תחמוצת ניאוביום משפיעה על הביצועים של תאים סולריים פרוביסקיט. יש לדאוג בעת שימוש בכימיקלים עבור התצהיר perovskite הקפד לעקוב אחר כל כללי הבטיחות במעבדה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול להשקעת שכבות של תחמוצת ניוביום באמצעות התזה ריאקטיבית. השיטה מאפשרת שליטה מדויקת בפרמטרים, ובכך מאפשרת יצירת שכבות הומוגניות המתאימות לשימוש כשכבה להובלת אלקטרונים בתאי סולאריים פרובסקיטיים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדע החומרים
- ננוטכנולוגיה
- אנרגיה מתחדשת
רקע
- השפעה רגילטיבית (Reactive sputtering) היא טכניקה המאפשרת שליטה מדויקת על השקעת שכבות דקים.
- שכבות של תחמוצת ניוביום הן חשובות בשל יישומיהן במכשירים אלקטרוניים.
- השיטה היא יעילה כלכלית ומתאימה ליישומים בשטחים גדולים.
- טיפול נכון בציוד הוא קריטי להשגת תוצאות אופטימליות.
מטרת המחקר
- פיתוח פרוטוקול מהימן להשקעת שכבת תחמוצת ניוביום.
- בחינת ההשפעות של קצבי זרימה משתנים של חמצן במהלך ההשקעה.
- שיפור ביצועיהן של תאי סולאריים מסוג פרובסקיט באמצעות שיפור שכבות הובלת אלקטרונים.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- טכניקת התרססוּת ריאקטיבית (Reactive sputtering) להשקעת סרטים.
- בקרת קצבי זרימת החמצן לשליטה בתכונות הסרט.
- הכנת מצע הכוללת סרט טרמי ואבקת אבץ.
- הערכת הומוגניות הסרט ואיכות ההיצמדות שלו.
תוצאות עיקריות
- שקיעה מוצלחת של שכבות נבוביום אוקסיד עם סטוכיומטריה משתנה.
- הוכחה של היצמדות טובה ואחידות על פני שטחים גדולים.
- זיהוי התנאים האופטימליים לשקיעת השכבות.
- הדגשת היתרונות של טכניקת הריספוטרינג (Sputtering) הריאקטיבי.
מסקנות
- שיטת ההשפרה הריאקטיבית (reactive sputtering) יעילה להשקעת שכבות של תחמוצת ניוביום.
- שליטה בפרמטרי ההשקעה חיונית להשגת מאפייני השכבה הרצויים.
- פרוטוקול זה עשוי לשפר את הנצילות של תאי סולאריים מפריקוסקיט.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית להנהלה
בקרה מדויקת של תכונות סרט ניוביום תחמוצת באמצעות התזה ריאקטיבית מאפשרת התאמה של שכבות הובלת אלקטרונים לבניית אבות-טיפוס של התקנים מתקדמים. כיוון עדין של קצבי זרימת החמצן משפיע ישירות על הסטוכיומטריה של הסרט, על המוליכות ועל ביצועי ההתקן בשלביו המאוחרים, ובכך תומך בבחירה חזויה של חומרים במסלולי מחקר ופיתוח. יכולת זו היא קריטית לאופטימיזציה של שכבות פונקציונליות בפלטפורמות של המרה אנרגטית ואופטואלקטרוניקה מהדור הבא.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר חקירה שיטתית של קשרי חומר-תכונה לצורך אופטימיזציה של השכבה הפונקציונלית.
- תומך בהסרה של סיכונים מכניסטיים על ידי מתאם בין זרימת חמצן לבין פאזת הסרט והמוליכות שלו.
- מסייע בביטחון חיזוי בבחירת חומרים לצורך אינטגרציה למכשיר.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספקת שקיעה הדירה של סרטים הומוגניים עבור תהליכי עבודה סטנדרטיים של ייצור התקנים.
- מאפשרת הערכה כמותית של תכונות חשמליות תחת תנאי חמצן משתנים.
- תומכת בהכנה ניתנת להרחבה של שכבות הובלת אלקטרונים לצורך סריקת התקנים השוואתית.
מחקר תרגומי ופרה-קלמיני
- מתאימה את תכונות החומר למדדי ביצועים של המכשיר לצורך רציפות תרגומית.
- מאפשר קידום מותאם-סיכונים של מועמדים לחומרים, בהתבסס על נתוני מוליכות ושלב (phase) כמותיים.
- תומך במחזורי אופטימיזציה איטרטיביים, החל משלב הגילוי ועד לתיקוף פre-clinical של המכשיר.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
פרוטוקול התרטוט הריאקטיבי (reactive sputtering) זה משולב ברצף של גילוי חומרים ועד לאב-טיפוס של התקן, ובכך הוא מגשר בין סריקה ראשונית של חומרים להערכה תפקודית של ההתקן.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת היפותזות לגבי האופן שבו זרימת חמצן מושפעה על הפאזה והתפקוד של הסרט.
- סריקה: מספק תכונות סרט כמותיות וניתנות לשחזור להשוואה בין תנאים שונים.
- אנליטיקה: מספק נתוני מוליכות חשמלית ופאזה לצורך קבלת החלטות על בחירת החומר.
- מחקר תרגומי: מקשר בין פרמטרי השקיעה של החומר לתוצאות הביצועים ברמת המכשיר.
- שימוש חוזר ארגוני: קובע פרוטוקול סטנדרטי וניתן להרחבה עבור מו"פ שוטף של חומרים ומכשירים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי במערכות יחסים בין חומרים למכשירים ומפחית עמימות מכניסטית.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של השקעת שכבות לצורך הדירות ויכולת הרחבה בין צוותי מו"פ.
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס להחלטות של המשך או עצירה (go/no-go) עבור קידום חומרים, בהתבסס על פלטים כמותיים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף של מועמדים לחומרים לשילוב במכשירים, תוך התחשבון בסיכון.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בהשקעת שכבות דקות ובמכשור ל sputtering ריאקטיבי.
- דורש בקרה מדויקת של קצבי זרימת הגז ותנאי הוואקום לצורך הדירות (reproducibility).
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של הכנת התשתית ופרמטרי ההשקעה.
- ייתכן שיהיה צורך בהתאמה לסוגי תשתית שונים או לארכיטקטורות של התקנים שונים.
- קצב ההשקעה והפאזה של השכבה רגישים לזרימת החמצן, מה שדורש אופטימיזציה קפדנית.
