Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Изготовление нано-инженерии прозрачных проводящих оксидов методом импульсного лазерного осаждения

15K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/50297

⸱

27 февраля 2013 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Мы описываем экспериментального метода для нанесения наноструктурированных тонких пленок оксида наносекундной импульсного лазерного осаждения (PLD) в присутствии фонового газа. При использовании этого метода Аль-легированного оксида цинка (AZO) фильмов, от компактных до иерархически структурированы, как нано-дерево леса, может быть сдан на хранение.

Аннотация

Наносекундного импульсного лазерного осаждения (PLD) в присутствии фонового газа позволяет осаждения оксидов металлов с перестраиваемой морфологии, структуры, плотности и стехиометрии путем надлежащего контроля динамики плазмы факела расширения. Такая универсальность может быть использована для получения наноструктурных пленок с компактным и плотным, чтобы нанопористых характеризуется иерархической сборки наноразмерных кластеров. В частности, мы подробно описывается методология для изготовления двух типов Аль-легированного оксида цинка (AZO) фильмов, как прозрачных электродов в фотоэлектрических устройств: 1) при низком давлении O 2, компактный фильмы с электрической проводимостью и прозрачностью оптических близки к современным прозрачных проводящих оксидов (TCO) могут быть нанесены при комнатной температуре, чтобы быть совместимым с термочувствительных материалов, например, полимеров, используемых в органической фотовольтаики (OPVs), 2) высоко рассеяния света иерархические структуры, напоминающие лес нано-деревья продуктовuced при более высоких давлениях. Такие структуры показывают высокий коэффициент Haze (> 80%) и может быть использована для повышения свет возможностью захвата. Метод описан здесь для фильмов AZO могут быть применены к другим оксидов металлов, имеющих значение для технологических приложений, таких как TiO 2, Al 2 O 3, WO 3 и Ag 4 O 4.

Введение

Импульсного лазерного осаждения (PLD) работает лазерной абляции твердой мишени, что приводит к образованию плазмы удаленной видов, которые могут быть нанесены на подложку, чтобы вырастить пленки (см. рисунок 1) 1. Взаимодействие с фоном атмосфере (инертные или реактивной) могут быть использованы, чтобы вызвать гомогенной нуклеации кластеров в газовой фазе (см. Рисунок 2) 2,3. Наша стратегия материалов синтеза ПЛИС основан на настройку свойств материала в снизу вверх, тщательно контролируя динамику плазмы генерируются в PLD процесса. Размер кластера, кинетической энергии и состава можно варьировать, правильной настройкой осаждения параметров, которые влияют на рост фильма и в результате морфологических и структурных изменений 4,5. Воспользовавшись методом, описанным здесь мы продемонстрировали, количество оксидов (например, WO 3, Ag 4 O 4, Al 2 O 3й TiO 2), возможность настройки морфология, плотность, пористость, степень структурного порядка, стехиометрии и фазы путем изменения структуры материала на наноуровне 6-11. Это позволяет создавать материалы для специальных применений 12-16. Со ссылкой на фотоэлектрических приложений, мы синтезировали наноструктурные TiO 2 иерархически организованных сборки наночастиц (<10 нм) в нано-и мезоструктуры, которая напоминает «лесные деревья '13 показывает интересные результаты при использовании в качестве photoanodes в сенсибилизированных красителем солнечных элементов (DSSC ) 17. На основании этих результатов предыдущего опишем протокол для осаждения Al-легированного оксида цинка (AZO) фильмов, как прозрачный проводящий оксид.

Прозрачные проводящие оксиды (TCOS) являются высокие запрещенной зоны (> 3 эВ) материалы превращаются в проводников сильного легирования, показывая сопротивление <10 -3 Ом-см и более чем на 80% оптических transmittance в видимом диапазоне. Они являются ключевым элементом для многих приложений, таких как сенсорные экраны и солнечных батарей 18-21, и они, как правило, выращивают различные методы, такие как распыление, импульсного лазерного осаждения, химическое осаждение из паровой фазы, брызги пиролиза и с решением на основе химических методов. Среди TCOS, индий-олово-оксида (ITO) был широко изучен своим низким удельным сопротивлением, но страдает от недостатка высокой стоимости и низкой доступности индия. Исследования в настоящее время движется в направлении индия-бесплатных систем, таких как F-легированных SnO 2 (FTO), Al-легированного оксида цинка (AZO) и F-легированного оксида цинка (ФЗО).

Электроды способны обеспечить интеллектуальное управление падающего света (свет захват) особенно интересны для фотоэлектрических приложений. Чтобы воспользоваться возможностью, чтобы рассеять видимого света через структуры и морфологии модулированных в масштабах, сравнимых с длиной волны света (например, 300-1000 нм), хороший контроль наМорфология кино и на архитектуру кластера сборки не требуется.

В частности, мы опишем, как настроить морфология и структура пленок AZO. Компактное хранение AZO при низком давлении (2 Pa кислорода) и при комнатной температуре характеризуется низким удельным сопротивлением (4,5 х 10 -4 см Ом) и видимого света прозрачности (> 90%), которая является конкурентоспособной с AZO хранение при высокой температуре, в то время как AZO иерархические структуры получаются путем абляции в O 2 давлении выше 100 Па Эти структуры отображения мощный потенциал рассеяния света с дымкой фактора до 80% и более 22,23.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка основания

  1. Отрежьте 1 см х 1 см кремниевых подложках из пластин Si, Кремний является хорошим для SEM характеристики (вид сверху и поперечное сечение).
  2. Отрежьте 1 см х 1 см стекла (натриево-кальциево, толщина 1 мм), стекло является оптимальным для оптических и электрических характеристик.
  3. Если контакты необходимы на стеклянные подложки, Au контакты могут быть выпаривают в вакууме с помощью маски. Депозит 10 нм хрома в качестве промежуточного слоя для улучшения адгезии Au, депозит 50 нм Au.
  4. Отрежьте 1 см х 1 см полимера образца (например, этилен тетрафторэтилена, ETFE).
  5. Очистка подложек ультразвуком в изопропаноле в течение 5-10 мин и промыть в изопропанол, насухо N 2 потока.

2. Выравнивание Лазерные и выбора параметров лазера

  1. Разминка Nd: YAG лазер и выберите IV гармонического излучения (266 нм) с помощью четвертой гармоники генератора (FHG), состоящего из двух SEконд генераторы гармоник (ГВГ) в каскаде.
  2. Установить 2% мас. Al 2 O 3. ZnO круговая мишень (2 "диаметр) на цели манипулятора Совместите лазерное пятно в центре мишени, начать вращение цели и перевод и установить максимальный вертикальный диапазон Убедитесь, что лазерное пятно никогда не касается внешнего. Стальное кольцо используется для фиксации цели. цель перемещается с рото-поступательного движения, чтобы иметь равномерное удаление всей поверхности мишени.
  3. Выберите частоту повторения (например, 10 Гц) и энергия импульса (например, 75 мДж). Отрегулируйте энергии импульса лазерного монитора и стабильности, измеритель мощности.
  4. Переместить фокусирующей линзы для выбранной позиции и использовать часть чувствительной бумаге прикреплены к цели для измерения размера пятна. Для любого положения фокусирующей линзы огня 1-5 лазерных выстрелов на бумаге. Выберите положение объектива, чтобы иметь лазерной энергии около 1 Дж / ​​см 2.

3. Настройка PLDD Выбор параметров осаждения

  1. Выравнивание подложки позиции
    1. Установите круговую листе бумаги около 2 "диаметром в качестве подложки для выравнивания испытаний.
    2. Переместите держатель подложки на целевую к подложке расстояние Д Ц = 50 мм.
    3. Начало откачки камеры с первичными и турбомолекулярные насосы до уровня вакуума достигает 10 -2 Па
    4. Выберите тип газа (например, кислорода) и регулировать скорость откачки и газа, чтобы иметь нужное давление газа (см. разделы 4 и 5). Отрегулируйте положение ху подложки манипулятора вне оси по отношению к шлейфа центр для получения равномерной толщины пленки по круговой короны.
    5. Начало абляции, удалив пробку пучка / измеритель мощности. Если целью является новой или, если он не использовался в течение длительного времени, это предварительные абляции необходимо очистить цели.
    6. Остановить абляции, когда депозит можно увидеть на ПапеГ глядя из окна.
  2. Определение длины плазменного факела
    1. Выполните действия 3.1.1. на 3.1.5, во время абляции делать снимки с цифровой камеры с 0,5 - 1 сек времени накопления в среднем за различными перьями плазмы.
    2. Измерьте длину видимого факела плазмы из фотографий с г TS в качестве эталона (см. Рисунок 3).
  3. Калибровка толщины пленки
    1. Перемещение подложки далеко от цели (например, 100 мм и более) и переместить кварцевых микро-Balance (QCM) на расстояние, равное Д Ц от цели.
    2. Депозит 1000 лазерных выстрелов (т.е. 1 '40'') и измерить хранение значение массы, затем переместите QCM прочь.
    3. Установите подложку Si, как и в 1.1.
    4. Депозит опытного образца (например, 18000 лазерных выстрелов, т.е. 30 ') и использование поперечного сечения изображения SEM-сalibrate скорость осаждения (нм / импульс).

4. Нанесение Nanoengineered AZO фильмов

  1. Установите подложки получают, как в разделе 1 на манипуляторе держатель образца с помощью клейкой ленты.
  2. Выполните шаги 3.1.2 - 3.1.3.
  3. Начало подложки вращения.
  4. Нанесение компактной фильмов AZO
    1. Переключитесь на пистолет ионов и энергии иона набор на 100 эВ, власти РФ на 75-100 Вт и Ar потока газа на 20 SCCM (давление находится в диапазоне 10 -2 Па). Чистая подложках с Ar + ионной пушки в течение 5-10 мин. После очистки лечении перекрыть подачу газа и откачка камеры, чтобы удалить аргона.
    2. Вставьте кислорода и регулировать скорость откачки и поток газа, чтобы иметь 2 Па кислород.
    3. начала абляции и депозитных за 18000 выстрелов (30 '). Во время проверки абляции, что шлейф длиной такой же, как определено в пункте 3.2.
    4. остановить абляции, недалеко гкак на входе, откачку камеры.
  5. Нанесение иерархически структурированной фильмов AZO
    1. Вставьте кислорода и регулировать скорость откачки и газа, чтобы иметь 160 Па кислород.
    2. начала абляции и депозитных за 18000 выстрелов (30 '). Во время проверки абляции, что шлейф длиной такой же, как определено в пункте 3.2.
    3. остановить абляции, перекрыть подачу газа, откачка камеры.
  6. Выпустить воздух из камеры и снять образцы

5. Электрические и оптические характеристика

  1. Измерить в плоскости транспортных свойств с помощью четырех-зондовые методы (например, Ван-дер-Пау метод). См. Рисунок 4 для схемы контактов. Типичные значения тока зонда находится в 1 мкА в диапазоне 10 мА. Измерение производится по площади образца уменьшена до 0,7 см х 0,7 см, чтобы обеспечить лучшую равномерность толщины (около 5%).
  2. Измерьте Opticaл пропускания образца и голый субстрат. Исправьте спектров для подложки вклад, установив на 1 интенсивность на стекло / пленка. Для точной процедуры коррекции убедиться, что образец с установленными на стеклянной подложке, стоящих перед падающего пучка. Определение видимого света прозрачность расчета среднего коэффициента пропускания в диапазоне 400-700 нм. Используйте диаметром 150 мм, интегрирующей сферы для измерения рассеянного часть света, Haze фактор может быть рассчитан путем деления рассеянных фракции на общую проходящего света (т.е. разбросаны и вперед передаются), см. рисунок 5.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Осаждения AZO от PLD в атмосфере кислорода производит компактные прозрачных проводящих пленок на низком давлении газа фона (т.е. 2 Па) и мезопористые лес-подобных структур созданную иерархическую собраны кластеров при высоких давлениях (т.е. 160 Па). Материал состоит из нанокристаллических областей, размер которых максимальное (30 нм) при 2 Па 22.

Из-за столкновения между удаленной видов и фонового газа, форма и длина плазменного факела значительно меняется в зав...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Форма плазменного факела тесно связана с процесса абляции, особенно в присутствии газа; мониторинг плазменной струи путем визуального осмотра важно контролировать осаждения. При сдаче на хранение оксида металла по разрушающимся оксида цели, кислород, необходимые для поддержки кислорода потери во время процесса абляции. При более низких давлении кислорода газа фон, хранение материал может иметь кислородных вакансий. Этот эффект уменьшается при увеличении давления газа. Чтобы отделить от стехиометрии морфологию газовых см...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Нет конфликта интересов объявлены.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Название Реагенты / Материал Компания Номер в каталоге
Импульсный лазер Континуум-Quantronix Powerlite 8010
Измеритель мощности Когерентный FieldMaxII-TO
Ионной пушки Mantis Dep RFMax60
Контроллера массового расхода Mks 2179 °
Кварцевый кристалл микровесов Infcon XTC / 2
Фоновый газ Rivoira-Praxair 5,0 кислородом
Цель Курт Lesker (Сделанный по запросу)
Изопропанол Sigma Aldrich 190764-2L
Источник метр Keithley K2400
Magnet Kit Ecopia 0.55T-Kit
Спектрофотометр PerkinElmer Lambda 1050

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Изготовление нано-инженерии прозрачных проводящих оксидов методом импульсного лазерного осаждения
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.