We beschrijven de experimentele methode nanogestructureerde oxide dunne films te deponeren door nanoseconde gepulste laser depositie (PLD) in aanwezigheid van een achtergrondgas. Door deze methode Al gedoteerde ZnO (AZO) films, van compacte hiërarchisch gestructureerd als nano-boom bossen, worden gestort.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Fabricage van Nano-engineered transparante geleidende oxides door gepulste laser depositie
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Nanoseconde Pulsed Laser Deposition (PLD) in aanwezigheid van een achtergrondgas kan de depositie van metaaloxiden met afstelbare morfologie, structuur, dichtheid en stoichiometrie door een juiste controle van de plasma pluim expansie dynamiek. Dergelijke veelzijdigheid kan worden benut om nanogestructureerde films te produceren van compacte en dichte tot nanoporeuze gekenmerkt door een hiërarchische assemblage van nano-sized clusters. In het bijzonder beschrijven we de gedetailleerde methode om twee soorten Al-gedoteerde ZnO (AZO) films fabriceren als transparante elektroden in zonnecellen: 1) bij lage druk O 2, compact films met elektrische geleidbaarheid en optische transparantie dicht bij de stand van de techniek transparante geleidende oxides (TCO) is gedeponeerd bij kamertemperatuur, verenigbaar met thermisch gevoelige materialen zoals polymeren in organische fotovoltaïsche cellen (OPVs) 2) Bijzonder lichtverstrooiing hiërarchische structuur lijkt op een bos van bomen nano-prodhanteerden bij hogere drukken. Dergelijke structuren vertonen een hoge Haze factor (> 80%) en kan worden benut om de licht vangen vermogen te verbeteren. De hier beschreven werkwijze AZO films kunnen worden toegepast op andere metaaloxiden relevant voor technologische toepassingen zoals TiO 2, Al 2 O 3, WO 3 en Ag 4 O 4.
Inleiding
Pulsed Laser Deposition (PLD) stelt laserablatie van een vast doel dat resulteert in de vorming van een plasma van ablatie soorten die worden afgezet op een substraat om een film (zie figuur 1) 1 groeien. Interactie met een achtergrond atmosfeer (inert of reactief) kan worden gebruikt om homogene nucleatie cluster induceren in de gasfase (zie figuur 2) 2,3. Onze strategie voor materiaal synthese door PLD is gebaseerd op de stemming van materiaaleigenschappen in een bottom-up benadering door een zorgvuldige controle van de plasma-dynamiek gegenereerd in de PLD proces. Clustergrootte, kinetische energie en samenstelling kunnen worden gevarieerd door een juiste instelling van depositie parameters die film groei en resulteren in morfologische en structurele veranderingen 4,5 beïnvloeden. Door gebruik van de hier beschreven methode we aangetoond voor een aantal oxiden (bijvoorbeeld WO 3, 4 O 4 Ag, Al 2 O 3 and TiO 2), de mogelijkheid om morfologie afstemmen, dichtheid, porositeit, mate van structurele orde stoichiometrie en fase doordat de materiaalstructuur op nanoschaal 6-11. Dit maakt het ontwerp van materialen voor specifieke toepassingen 12-16. Onder verwijzing naar fotovoltaïsche toepassingen, hebben we gesynthetiseerd nanogestructureerde TiO 2 hiërarchisch georganiseerd door het aaneenzetten van nanodeeltjes (<10 nm) in een nano-en mesostructuur die lijkt op een 'woud van bomen' 13 tonen interessante resultaten bij toepassing als photoanodes in kleurstof zonnecellen (DSSC ) 17. Op basis van deze eerdere resultaten beschrijven we het protocol voor de afzetting van Al-gedoteerde ZnO (AZO) films als een transparante geleidende oxide.
Transparante geleidende oxides (TCO) hoog bandgap (> 3 eV) materiaal omgezet in geleiders door zware dotering, getoond weerstand <10 -3 ohm-cm en meer dan 80% optische Transmittance in het zichtbare gebied. Ze zijn van essentieel belang voor vele toepassingen zoals aanraakschermen en zonnecellen 18-21 en worden doorgaans gekweekt door verschillende technieken zoals sputteren, gepulste laser depositie, chemische dampafzetting, spuitpyrolyse en op oplossingen gebaseerde chemische methoden. Onder TCO is indium-tin-oxide (ITO) is uitgebreid bestudeerd voor een lage resistiviteit maar het nadeel van de hoge kosten en lage beschikbaarheid van indium. Onderzoek is nu op weg naar indium-vrije systemen, zoals F-gedoteerde SnO 2 (FTO), Al-gedoteerde ZnO (AZO) en F-gedoteerde ZnO (FZO).
Elektroden, geschikt om een intelligent beheer van het invallende licht (licht vangen) zijn bijzonder interessant voor fotovoltaïsche toepassingen. De mogelijkheid in te verstrooien zichtbaar licht via structuren en morfologie gemoduleerd op een schaal vergelijkbaar met de golflengte van licht (bijv. 300-1,000 nm), een goede controle over defilm morfologie en op cluster montage architecturen nodig is.
In het bijzonder beschrijven we hoe u de morfologie en structuur van AZO films af te stemmen. Compact AZO gedeponeerd bij lage druk (2 Pa zuurstof) en bij kamertemperatuur wordt gekenmerkt door lage weerstand (4,5 x 10 -4 ohm cm) en zichtbaar licht transparant (> 90%) die kan concurreren met AZO gedeponeerd bij hoge temperaturen, terwijl AZO hiërarchische structuren verkregen door ablatie op O 2 drukken boven 100 Pa Dergelijke structuren vertonen een sterke lichtverstrooiing vermogen met troebelingsfactor tot 80% en 22,23.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Voorbereiding van de ondergrond
- Snij 1 cm x 1 cm siliciumsubstraten een Si wafer, Silicon goed voor SEM karakterisering (bovenaanzicht en dwarsdoorsnede).
- Snij 1 cm x 1 cm glas (natronkalkglas, 1 mm dik), glas optimaal voor optische en elektrische karakterisatie.
- Als contacten zijn nodig op glas substraten, kan Au contacten worden verdampt in vacuüm met behulp van een masker. Borg 10 nm van Cr als tussenlaag om de hechting van Au, aanbetaling 50 nm van Au verbeteren.
- Snij 1 cm x 1 cm polymeermonster (zoals ethyleen tetrafluorethyleen ETFE).
- Reinig de substraten door sonicatie in isopropanol gedurende 5-10 min en spoel in isopropanol, droog met een N2-stroom.
2. Laser Alignment en selectie van Laser Parameters
- Warm-up van de Nd: YAG laser en selecteer IV harmonische emissie (266 nm golflengte) door gebruik te maken kwart harmonische generator (FHG) gevormd door twee second harmonische generatoren (SHG) in cascade.
- Monteer een 2% gew. Al 2 O 3:. ZnO ronde doelwit (2 "diameter) op het doel manipulator Lijn de laserpunt in het midden van het doel, start doelwit rotatie en translatie en stel de maximale verticale bereik Controleer of de laserspot nooit de externe raakt. stalen ring gebruikt om de doelstelling vast. Beoogd wordt verplaatst met een roto-translatiebeweging uniforme ablatie van de hele doelgroep oppervlak.
- Selecteer herhalingsfrequentie (bijv. 10 Hz) en puls energie (bijvoorbeeld 75 mJ). Pas pulsenergie en monitor laser stabiliteit door een vermogensmeter.
- Verplaats de focus lens naar een geselecteerde positie en gebruik een stuk van gevoelige papier aan de doelstelling om de puntgrootte te meten. Voor elke positie van het AF-lens vuur één-vijf laser schoten op het papier. Selecteer een lens staat een laser straling van ongeveer 1 J / cm 2 hebben.
3. Het opzetten van PLD eend Selectie van Deposition Parameters
- Uitlijning van de ondergrond positie
- Monteer een cirkelvormige papiervel ongeveer 2 "diameter als substraat voor uitlijning tests.
- Verplaats de substraathouder een target-to-substraat afstand d TS = 50 mm.
- Start pompen langs de kamer met primaire en turbomoleculaire pompen totdat het vacuüm niveau bereikt 10 -2 Pa
- Selecteer een type gas (lees: zuurstof) en stel pompsnelheid en gasstroom naar de juiste gasdruk (zie punt 4 en 5). Stel xy positie van het substraat manipulator off-as ten opzichte van de pluim centrum uniforme dikte te verkrijgen over een cirkelvormig corona.
- Start ablatie door het verwijderen van de bundel stop / power meter. Als het doel nieuwe of als het niet werd gebruikt voor lang deze pre-ablatie nodig is om het doel te reinigen.
- Stop ablatie als een aanbetaling is te zien op de paper Op zoek naar een viewport.
- Bepaling van plasma pluim lengte
- Volg de stappen 3.1.1. tot en met 3.1.5, tijdens ablatie foto's met een digitale camera met 0,5 - 1 sec accumulatie tijd tot de gemiddelde over verschillende plasma pluimen.
- Meet de zichtbare plasma pluim lengte van de getoonde foto te nemen d TS als referentie (zie figuur 3).
- Kalibratie van de filmdikte
- Ver Verplaats de ondergrond van het doel (dat wil zeggen 100 mm en meer) en verplaats de Quartz Micro-Balance (QCM) op een afstand die gelijk is aan d TS van het doel.
- Borg 1000 laser shots (dat wil zeggen 1 '40'') en meet de gedeponeerde massa waarde, dan moet u het QCM.
- Monteer een Si substraat, zoals in 1.1.
- Stort een monster (bijv. 18.000 laser schoten, dat wil zeggen 30 ') en gebruik dwarsdoorsnede SEM beelden tot en met calibrate de depositiesnelheid (nm / impuls).
4. Depositie van nano-engineering van AZO Films
- Monteer de substraten bereid als in hoofdstuk 1 op de monsterhouder manipulator met behulp van plakband.
- Volg de stappen 3.1.2 - 3.1.3.
- Start substraat rotatie.
- Depositie van compacte AZO films
- Schakel de ion gun en set ionenenergie bij 100 eV, RF vermogen bij 75-100 W en Ar gas flux op 20 sccm (de druk in de range 10 -2 Pa). Schone substraten met Ar + ion gun gedurende 5-10 minuten. Na het reinigen behandeling dicht gasinlaat en pompen langs de kamer naar Argon te verwijderen.
- Plaats zuurstofgas en pas pompsnelheid en gas flux tot 2 Pa zuurstof hebben.
- beginnen ablatie en borg voor 18.000 foto's (30 '). Tijdens ablatie controleren of de pluim lengte dat zoals bepaald in stap 3.2.
- stop ablatie, in de buurt gals inlaat, pomp naar beneden de kamer.
- Depositie van hiërarchisch gestructureerde AZO films
- Plaats zuurstofgas en pas pompsnelheid en gasstroom naar 160 Pa zuurstof hebben.
- beginnen ablatie en borg voor 18.000 foto's (30 '). Tijdens ablatie controleren of de pluim lengte dat zoals bepaald in stap 3.2.
- stop ablatie, in de buurt gasinlaat, pompen naar beneden de kamer.
- Ontlucht de kamer en verwijder monsters
5. Elektrische en optische karakterisatie
- Meet de in-plane transporteigenschappen met vier-probe technieken (Van der Pauw methode). Zie figuur 4 voor een schema van de contacten. Typische waarden van de sonde actueel zijn in de 1 uA tot 10 mA bereik. De metingen uitgevoerd op een proefstuk verminderd tot 0.7 cm x 0.7 cm een betere uniformiteit dikte (ongeveer 5%) te waarborgen.
- Meet de optical doorlating van het monster en de kale substraat. Corrigeren spectra van het substraat bijdrage door aan een de intensiteit op het glas / filmscheidingsvlak. Voor een nauwkeurige correctie procedure ervoor te zorgen dat het monster wordt gemonteerd met het glazen substraat tegenover de invallende bundel. Bepaal de transparantie zichtbaar licht door de gemiddelde transmissie in het 400-700 nm bereik. Gebruik een 150 mm diameter bolfotometer de verstrooide fractie van het licht meten De troebelingsfactor kan worden berekend door het verstrooide fractie van de totaal uitgezonden licht (bijv. verstrooid en verder overgedragen), zie figuur 5.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De afzetting van AZO door PLD in zuurstof atmosfeer produceert compacte transparante geleidende films bij lage achtergrond gasdruk (dwz 2 Pa) en mesoporeuze bos-achtige structuren gevormd door hiërarchisch geassembleerd clusters bij hoge druk (dat wil zeggen 160 Pa). Het materiaal wordt gevormd door nanokristallijne domeinen waarvan de grootte maximaal is (30 nm) bij 2 Pa 22.
Door botsingen tussen de geablateerde species en de achtergrond gas, de vorm en lengte v...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De plasma pluim vorm is nauw verwant aan de ablatie, met name bij aanwezigheid van een gas, controle van de plasma pluim visuele inspectie is belangrijk om de afzetting te beheersen. Bij afzetten van een metaaloxide door ablatie een oxide doelwit is zuurstof nodig om zuurstof verliezen steunen tijdens het ablatieproces. Bij lagere zuurstof achtergrond gasdruk kan het gedeponeerde materiaal hebben zuurstof vacatures. Dit effect wordt verminderd door de gasdruk. Om stoichiometrie scheiden van gasmengsels morfologie (b...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Geen belangenconflicten verklaard.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Naam van de Reagens / Materiaal | Vennootschap | Catalogusnummer | |
| Pulsed Laser | Continuum-Quantronix | Powerlite 8010 | |
| Power meter | Samenhangend | FieldMaxII-TO | |
| Ion Gun | Mantis Dep | RFMax60 | |
| Massastroomregelaar | Mks | 2179 ° | |
| Quartz Crystal Microbalance | Infcon | XTC / 2 | |
| Achtergrond gas | Rivoira-Praxair | 5,0 zuurstof | |
| Doel | Kurt Lesker | (Gemaakt op verzoek) | |
| Isopropanol | Sigma Aldrich | 190764-2L | |
| Bron meter | Keithley | K2400 | |
| Magnet Kit | Ecopia | 0.55T-Kit | |
| Spectrofotometer | PerkinElmer | Lambda 1050 |
Referenties
- Pulsed Laser Deposition of Thin Films. Chrisey, D. B., Hubler, G. K. , John Wiley & Sons. New York. (1994).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Grankvist, C. G. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review. Solar Energy Materials & Solar Cells. 91, 1529(2007).
- Minami, T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes. Semicond. Sci. Technol. 20, S35(2005).
- Fortunato, E., et al. Transparent Conducting Oxides for Photovoltaics. MRS Bulletin. 32, 242(2007).
- Exarhos, G. J., et al. Discovery-based design of transparent conducting oxide films. Thin Solid Films. 515, 7025(2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
