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Articolo metodologico

Fabbricazione di nano-ingegneria trasparenti Ossidi Conducting da Pulsed Laser Deposition

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DOI:

10.3791/50297

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27 febbraio 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

In questo articolo

Sommario

Descriviamo il metodo sperimentale per depositare film sottili di ossidi nanostrutturati da Pulsed Laser Deposition nanosecondi (PLD) in presenza di un gas di fondo. Utilizzando questo metodo di Al-ZnO drogato (AZO) film, dalla compatta alla gerarchicamente strutturata come nano-alberi delle foreste, possono essere depositati.

Abstract

Pulsed Laser Deposition nanosecondo (PLD) in presenza di un gas di fondo permette la deposizione di ossidi metallici con sintonizzabile morfologia, struttura, densità e stechiometria da un adeguato controllo della dinamica plasma pennacchio di espansione. Tale versatilità può essere sfruttata per produrre film nanostrutturati da nanoporoso denso e compatto per caratterizzata da un gruppo gerarchico di dimensioni nano cluster. In particolare si descrive la metodologia dettagliata per fabbricare due tipi di Al-ZnO drogato (AZO) film come elettrodi trasparenti in dispositivi fotovoltaici: 1) a bassa pressione O 2, film compatti con conducibilità elettrica e vicino trasparenza ottica allo stato dell'arte ossidi trasparenti conduttori (TCO) possono essere depositati a temperatura ambiente, per essere compatibile con i materiali sensibili al calore come i polimeri utilizzati nel fotovoltaico organico (OPV), 2) strutture di scattering di luce altamente gerarchica simile ad una foresta di nano-alberi sono prodottiuced a pressioni superiori. Tali strutture mostrano elevato fattore di Haze (> 80%) e può essere sfruttata per aumentare la capacità di cattura della luce. Il metodo qui descritto per film AZO può essere applicato ad altri ossidi metallici pertinenti per applicazioni tecnologiche come TiO 2, Al 2 O 3, WO 3 e Ag 4 O 4.

Introduzione

Deposizione laser pulsata (PLD) impiega ablazione laser di un bersaglio solido che risulta nella formazione di un plasma di specie ablata che può essere depositato su un substrato di crescita di un film (vedi Figura 1) 1. Interazione con una atmosfera di fondo (inerte o reattivo) può essere usato per indurre nucleazione omogenea cluster in fase gas (vedi figura 2) 2,3. La strategia per la sintesi di materiali da PLD si basa sulla regolazione delle proprietà materiali in un approccio ascendente un controllo accurato della dinamica plasma generato nel processo PLD. Dimensione dei cluster, energia cinetica e la composizione può essere variata da una corretta impostazione di parametri di deposizione che influenzano la crescita di film e comportano variazioni morfologiche e strutturali 4,5. Sfruttando il metodo descritto qui dimostrato, per una serie di ossidi (ad es WO 3, Ag 4 O 4, Al 2 O 3 and TiO 2), la capacità di regolare morfologia, densità, porosità, grado di ordine strutturale, stechiometria e fase modificando la struttura del materiale su scala nanometrica 6-11. Questo permette la progettazione di materiali per applicazioni specifiche 12-16. Con riferimento alle applicazioni fotovoltaiche, abbiamo sintetizzato TiO2 nanostrutturato gerarchicamente organizzato da nanoparticelle di montaggio (<10 nm) in un nano-e mesostruttura che assomiglia a un 'foresta di alberi' 13 mostra risultati interessanti quando impiegato come fotoanodi nelle tinture per celle solari sensibilizzate (DSSC ) 17. Sulla base di questi risultati precedenti si descrive il protocollo per la deposizione di Al-ZnO drogato (AZO) film come un ossido conduttore trasparente.

Ossidi conduttori trasparenti (TCO) sono bandgap elevata (> 3 eV) convertito in materiali conduttori dal drogaggio pesante, visualizzando resistività <10 -3 ohm-cm e più del 80% ottica transmittance nel campo del visibile. Essi sono un elemento chiave per molte applicazioni come touch screen e celle solari 18-21 e sono tipicamente coltivate con tecniche differenti come sputtering, deposizione laser pulsata, deposizione chimica da vapore, pirolisi a spruzzo e con una soluzione a base di metodi chimici. Tra TCO, indio-stagno-ossido (ITO) è stato ampiamente studiato per la sua bassa resistività, ma presenta l'inconveniente del costo elevato e bassa disponibilità di indio. La ricerca sta ora muovendo verso indio senza sistemi come F-drogato SnO 2 (FTO), Al-ZnO drogato (AZO) e F-ZnO drogato (FZO).

Elettrodi in grado di fornire una gestione intelligente della luce incidente (intrappolamento luce) sono particolarmente interessanti per applicazioni fotovoltaiche. Per sfruttare la possibilità di disperdere la luce visibile attraverso strutture e morfologie modulati su scala paragonabili alla lunghezza d'onda della luce (per esempio 300-1,000 nm), un buon controllo sulmorfologia film e sulle architetture di montaggio del cluster è necessario.

In particolare, si descrive come ottimizzare la morfologia e la struttura dei film AZO. Compatta AZO depositato a bassa pressione (2 ossigeno Pa) a temperatura ambiente e caratterizzata da una bassa resistività (4,5 x 10 -4 ohm cm) e trasparenza alla luce visibile (> 90%) che è competitiva con AZO depositati a temperature elevate, mentre AZO strutture gerarchiche sono ottenuti ablazione a O 2 pressioni superiori a 100 Pa. Tali strutture visualizzare una forte capacità diffondente con fattore di foschia fino al 80% e più 22,23.

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Protocollo

1. Preparazione del supporto

  1. Tagliare 1 cm x 1 centimetri substrati di silicio di un wafer di silicio, il silicio è un bene per la caratterizzazione SEM (vista in pianta e sezione).
  2. Tagliare 1 cm x 1 cm vetro (soda-calce, 1 mm di spessore), il vetro è ottimale per la caratterizzazione ottica ed elettrica.
  3. Se i contatti sono necessari su substrati di vetro, contatti Au può essere evaporato sotto vuoto utilizzando una maschera. Cauzione 10 nm di Cr come intercalare per migliorare l'adesione di Au, deposito 50 nm di Au.
  4. Tagliare 1 cm x 1 cm campione di polimero (ad esempio etilene tetrafluoroetilene, ETFE).
  5. Pulire i substrati sonicating in isopropanolo per 5-10 minuti e risciacquare in isopropanolo, asciugare con un flusso di N 2.

2. Laser di allineamento e selezione dei parametri laser

  1. Warm-up del laser Nd: YAG e selezionare IV emissione armonica (266 nm) utilizzando un generatore di quarta armonica (FHG) costituito da due segeneratori cond armoniche (SHG) in cascata.
  2. Montare un peso del 2%. Al 2 O 3:. ZnO bersaglio circolare ("diametro 2) sul manipolatore destinazione Allineare il punto laser al centro del bersaglio, inizia la rotazione target e traduzione e impostare l'intervallo verticale massimo Verificare che mai il punto laser tocca l'esterno. Anello acciaio utilizzato per fissare il bersaglio. Il bersaglio viene spostato con un movimento roto-traslatorio avere ablazione uniforme della superficie target.
  3. Selezionare la frequenza di ripetizione (ad esempio 10 Hz) e impulso di energia (ad esempio, 75 mJ). Regolare impulso di energia e stabilità laser monitor un misuratore di potenza.
  4. Spostare la lente di focalizzazione ad una posizione selezionata e utilizzare un pezzo di carta sensibile collegata al bersaglio per misurare la dimensione del punto. Per qualunque posizione delle lente di focalizzazione fuoco colpi laser 1-5 sulla carta. Selezionare una posizione dell'obiettivo per avere una fluenza laser di circa 1 J / cm 2.

3. Impostazione di un PLDd Selezione dei parametri di deposizione

  1. Allineamento della posizione substrato
    1. Montare un foglio circolare di carta di circa 2 "di diametro come substrato per test di allineamento.
    2. Spostare il supporto substrato ad un bersaglio a distanza d substrato TS = 50 mm.
    3. Avviare il pompaggio del camera con pompe primarie e turbomolecolare fino a quando il livello di vuoto raggiunge 10 -2 Pa.
    4. Selezionare un tipo di gas (ovvero, ossigeno) e regolare la velocità di pompaggio e di flusso di gas per avere la giusta pressione del gas (vedere sezioni 4 e 5). Regolare la posizione xy del manipolatore substrato fuori asse rispetto al centro pennacchio di ottenere film di spessore uniforme su una corona circolare.
    5. Inizia ablazione rimuovendo il tappo / misuratore di potenza del fascio. Se il bersaglio è nuovo o se non è stato utilizzato per lungo tempo, questo pre-ablazione è necessario pulire il bersaglio.
    6. Interrompere ablazione quando un deposito può essere visto sul paper guardando da una finestra.
  2. Determinazione della lunghezza pennacchio plasma
    1. Seguire i punti 3.1.1. a 3.1.5, durante l'ablazione scattare foto con una fotocamera digitale con 0,5 - 1 volta accumulo sec per media diversi pennacchi di plasma.
    2. Misurare la lunghezza visibile pennacchio plasma dalle fotografare d TS come riferimento (vedi Figura 3).
  3. Calibrazione dello spessore del film
    1. Spostare il supporto lontano dal bersaglio (cioè 100 mm e più) e spostare il quarzo Micro-Balance (QCM) ad una distanza pari a d TS dal bersaglio.
    2. Deposito 1000 scatti laser (vale a dire 1 '40'') e misurare il valore della massa depositata, quindi spostare il QCM via.
    3. Montare un substrato di Si come in 1.1.
    4. Depositare un campione di prova (ad esempio, 18.000 colpi di laser, vale a dire 30 ') e di utilizzare immagini di sezioni trasversali SEM per calibrate la velocità di deposizione (nm / impulso).

4. Deposizione di nanoengineered AZO Films

  1. Montare i supporti preparati come al punto 1 sul manipolatore supporto campione con del nastro adesivo.
  2. Seguire i punti 3.1.2 - 3.1.3.
  3. Avviare la rotazione del substrato.
  4. Deposizione di film di AZO compatti
    1. Accendere il cannone ionico e ioni energia impostata a 100 eV, potenza RF a 75-100 W e flusso di gas Ar a 20 sccm (la pressione è nel campo di 10 -2 Pa). Substrati puliti con Ar + cannone ionico per 5-10 min. Dopo la pulizia ingresso del gas di trattamento di gas e liquidi stretta la camera per rimuovere Argon.
    2. Inserire ossigeno e regolare la velocità di pompaggio e il flusso di gas di avere 2 Pa ossigeno.
    3. avviare ablazione e deposito per 18.000 colpi (30 '). Durante controllo ablazione che la lunghezza pennacchio è la stessa come determinato nel passo 3,2.
    4. smettere di ablazione, vicino gcome ingresso, la camera di pump down.
  5. Deposizione di film strutturati gerarchicamente AZO
    1. Inserire gas ossigeno e regolare la velocità di pompaggio e di flusso di gas per avere 160 Pa ossigeno.
    2. avviare ablazione e deposito per 18.000 colpi (30 '). Durante controllo ablazione che la lunghezza pennacchio è la stessa come determinato nel passo 3,2.
    3. smettere di ablazione, vicino ingresso del gas, pump down la camera.
  6. Sfiatare la camera e prelevare campioni

5. Caratterizzazione elettrica ed ottica

  1. Misurare le proprietà nel piano di trasporto con quattro sonde tecniche (ad esempio il metodo Van der Pauw). Vedere Figura 4 per uno schema dei contatti. Valori tipici della corrente sonda sono in μA 1-10 mA. Le misurazioni viene eseguita su un'area campione ridotto a 0,7 cm x 0,7 centimetri per garantire una uniformità di spessore maggiore (circa il 5%).
  2. Misurare la optical trasmittanza del campione e del substrato nudo. Correggere gli spettri per il contributo substrato Impostare a 1 per l'intensità con il vetro / film interfaccia. Per la procedura di correzione precisa assicurarsi che il campione è montato con il substrato di vetro di fronte al fascio incidente. Determinare la trasparenza della luce visibile calcolando la trasmittanza media nell'intervallo 400-700 nm. Utilizzare una sfera di diametro 150 mm integrazione per misurare la frazione diffusa della luce, il fattore Haze può essere calcolato dividendo la frazione dispersa dalla luce totale trasmessa (cioè disperse e in avanti trasmessa), vedi figura 5.

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Risultati

La deposizione di AZO da PLD in atmosfera di ossigeno produce compatte film trasparenti conduttori a bassa pressione gas di fondo (cioè 2 Pa) e mesoporosi foresta-come le strutture costituite da gruppi gerarchicamente assemblati a pressioni elevate (160 Pa). Il materiale è costituito da domini nanocristallini cui dimensione è massima (30 nm) a 2 Pa 22.

A causa di collisioni tra le specie ablato e il gas di sfondo, la forma e la lunghezza del pennacchio plasma var...

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Discussione

La forma pennacchio plasma è strettamente legato al processo di ablazione, soprattutto in presenza di un gas, il monitoraggio del pennacchio plasma mediante ispezione visiva è importante controllare la deposizione. Nel depositare un ossido metallico da ablare un target di ossido, l'ossigeno è necessario per supportare le perdite di ossigeno durante il processo di ablazione. A bassa pressione gas di fondo di ossigeno, il materiale depositato può avere vacanze di ossigeno. Questo effetto è ridotto aumentando la pressi...

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Dichiarazioni

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Nome del reagente / materiale Azienda Numero di catalogo
Laser pulsato Continuum-Quantronix Powerlite 8010
Potenza metro Coerente FieldMaxII-TO
Ion Gun Mantis Dep RFMax60
Controllore di flusso di massa Mks 2179 °
Di cristallo al quarzo Microbalance Infcon XTC / 2
Sfondo di gas Rivoira-Praxair 5,0 di ossigeno
Obiettivo Kurt Lesker (Realizzato su richiesta)
Isopropanolo Sigma Aldrich 190.764-2L
Fonte metro Keithley K2400
Magnet Kit Ecopia 0.55T-Kit
Spettrofotometro PerkinElmer Lambda 1050

Riferimenti

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