Fabricação de Nano-engenharia transparentes Óxidos Realização por deposição por laser pulsado
Summary
Descreve-se o método experimental para depositar finas películas de óxidos nanoestruturados por nanossegundo deposição por laser pulsado (PLD), na presença de um gás de fundo. Ao usar esse método Al-dopados ZnO (AZO) filmes, de compacto para hierarquicamente estruturado como nano-árvores de florestas, pode ser depositado.
Abstract
Nanossegundo deposição por laser pulsado (PLD), na presença de um gás de fundo permite a deposição de óxidos de metal com sintonizável morfologia, estrutura, densidade e estequiometria de um controlo adequado das plasmáticas dinâmica de expansão da pluma. Tal versatilidade pode ser explorada para produzir filmes nanoestruturados de nanoporoso compacto e denso que caracterizado por um conjunto hierárquico de nano-agregados. Em particular, descrevemos a metodologia detalhada para fabricar dois tipos de Al-ZnO dopados (AZO) filmes como eléctrodos transparentes em dispositivos fotovoltaicos: 1) a baixa pressão de O2, filmes compactos com uma condutividade eléctrica e fechar a transparência óptica do estado da arte óxidos condutores transparentes (TCO) podem ser depositados à temperatura ambiente, para ser compatível com materiais sensíveis ao calor, tais como os polímeros utilizados em células fotovoltaicas orgânicas (OPV), 2) de dispersão de luz altamente estruturas hierárquicas semelhante a uma floresta de nano-árvores são produced a pressões mais elevadas. Estas estruturas mostram factor de Haze elevada (> 80%) e pode ser explorada para aumentar a capacidade de captura de luz. O método aqui descrito para os filmes AZO pode ser aplicado a outros óxidos metálicos relevantes para aplicações tecnológicas, tais como o TiO 2, Al 2 O 3, WO 3 e 4 Ag O 4.
Introduction
A deposição laser pulsada (PLD) emprega a ablação por laser de um alvo sólido que resulta na formação de um plasma de espécies extirpadas que podem ser depositados sobre um substrato de um filme para crescer (ver Figura 1) 1. A interacção com a atmosfera do fundo (inerte ou reactivo) podem ser utilizados para induzir a nucleação homogénea aglomerado na fase de gás (veja a Figura 2) 2,3. A nossa estratégia para a síntese de material por PLD é baseada na afinação das propriedades dos materiais em uma abordagem de baixo para cima através do controlo rigoroso da dinâmica do plasma gerado no processo de PLD. Tamanho do cluster energia cinética e composição pode ser variada por uma configuração apropriada dos parâmetros de deposição, que afectam o crescimento de filmes e resultam em alterações morfológicas e estruturais, 4,5. Ao explorar o método descrito aqui, foi demonstrado, por um certo número de óxidos (por exemplo, WO 3, Ag 4 O 4, Al 2 O 3 and TiO 2), com a capacidade de afinar a morfologia, a densidade, a porosidade, grau de ordem estrutural, estequiometria e fase, modificando a estrutura do material no 6-11 nanoescala. Isto permite que o desenho de materiais para aplicações específicas 12-16. Com referência às aplicações fotovoltaicas, sintetizamos TiO 2 nanoestruturado hierarquicamente organizado por nanopartículas de montagem (<10 nm) de um nano-e mesoestrutura que se assemelha a uma 'floresta de árvores "13 mostrando resultados interessantes quando empregado como fotoanodos em corantes em células solares sensibilizadas (DSSC ) 17. Com base nestes resultados anteriores que descrevem o protocolo para a deposição de Al-ZnO dopados (AZO) filmes como um óxido condutor transparente.
Óxidos transparentes condutores (TCOs) são bandgap elevada (> 3 eV) materiais convertidos em condutores por dopagem pesada, exibindo resistividade <10 -3 ohm-cm e mais de 80% transmi ópticottance na faixa visível. Eles são um elemento chave para muitas aplicações, tais como telas de toque e células solares 18-21 e eles são normalmente cultivadas por diferentes técnicas, tais como sputtering deposição por laser, pulsante, deposição de vapor químico, spray pirólise e com métodos de solução à base de químicos. Entre TCOs, índio-estanho-óxido (ITO) tem sido largamente estudada por sua resistividade baixa, mas tem o inconveniente do custo elevado e baixa disponibilidade de índio. A investigação está agora caminhando para índio sistemas livres como 2 SnO F-dopado (FTO), Al-dopado com ZnO (AZO) e F-dopado com ZnO (FZO).
Eletrodos capazes de proporcionar uma gestão inteligente da luz incidente (armadilhas de luz) são particularmente interessantes para aplicações fotovoltaicas. Para explorar a possibilidade de dispersão de luz visível por meio de estruturas e morfologias modulados a uma escala comparável com o comprimento de onda da luz (por exemplo, 300-1,000 nm), um bom controlo sobre omorfologia filme e em arquiteturas de montagem de cluster é necessário.
Em particular, descreve-se como a afinar a morfologia e estrutura de filmes AZO. Compact AZO depositados a baixa pressão (2 oxigénio Pa) e à temperatura ambiente, é caracterizada por baixa resistividade (4,5 x 10 ohm cm -4) e a transparência da luz visível (> 90%), que é competitiva com AZO depositado a altas temperaturas, enquanto AZO estruturas hierárquicas são obtidos por ablação de O 2 em pressões superiores a 100 Pa. Estas estruturas exibem uma capacidade de espalhamento de luz forte com um factor de névoa de até 80% e mais 22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
A forma pluma plasma está intimamente relacionado com o processo de ablação, em especial na presença de um gás; monitorização da pluma plasma por inspecção visual é importante para controlar a deposição. Ao depositar um óxido de metal por ablação de um alvo de óxido, o oxigênio é necessário para suportar as perdas de oxigênio durante o processo de ablação. Com menor pressão de gás de oxigénio de fundo, o material depositado pode ter vagas de oxigénio. Este efeito é reduzido através do aumento…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number |
| Pulsed Laser | Continuum-Quantronix | Powerlite 8010 |
| Power meter | Coherent | FieldMaxII-TO |
| Ion Gun | Mantis Dep | RFMax60 |
| Mass flow controller | Mks | 2179 ° |
| Quartz Crystal Microbalance | Infcon | XTC/2 |
| Background gas | Rivoira-Praxair | 5.0 oxygen |
| Target | Kurt Lesker | (made on request) |
| Isopropanol | Sigma Aldrich | 190764-2L |
| Source meter | Keithley | K2400 |
| Magnet Kit | Ecopia | 0.55T-Kit |
| Spectrophotometer | PerkinElmer | Lambda 1050 |
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