Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Fabrikasyon Pulsed Lazer Biriktirme tarafından Transparent letken Oksitler Nano-mühendislik

15K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/50297

⸱

27 Şubat 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

Bu makalede

Özet

Biz bir arka plan gaz varlığında nanosaniye Pulsed Lazer Biriktirme (PLD) tarafından nanoyapılı oksit ince filmlerin yatırmak için deneysel yöntem açıklanmaktadır. Al katkılı ZnO (AZO) filmleri bu yöntemi kullanarak, kompakt hiyerarşik nano ağacı ormanları olarak yapılandırılmıştır için tevdi edilebilir.

Özet

Bir arka plan gaz varlığında Nanosaniye Pulsed Lazer Biriktirme (PLD) sağlar plazma bulutunun genişleme dinamiklerinin uygun kontrolü ile ayarlanabilir morfolojisi, yapısı, yoğunluğu ve stokiyometri ile metal oksitlerin birikimi. Böyle yönlülük nano boyutlu kümeler hiyerarşik bir derleme ile karakterize kompakt ve yoğun Nanogeçirgen gelen nanoyapılı filmler üretmek için kullanılabilir. Özellikle biz fotovoltaik aygıtlar saydam elektrot olarak Al katkılı ZnO (AZO) filmleri iki tür üretmek için detaylı bir metodoloji tarif: Düşük O 2 basınçta) 1, sanat durumuna elektriksel iletkenlik ve optik şeffaflık yakın kompakt filmler eşya vardır nano ağaçların ormanına benzeyen 2) yüksek ışık saçılma hiyerarşik yapılar; saydam iletken oksit (TCO) gibi organik fotovoltaik (OPVs) kullanılan polimerler olarak termal duyarlı malzemeler ile uyumlu olacak şekilde, oda sıcaklığında tevdi edilebiliryüksek basınçlarda uced. Bu tür yapılar, yüksek Haze faktörü göster (>% 80) ve ışık yakalayıcı yeteneği geliştirmek için yararlanılabilir. AZO filmler için burada açıklanan yöntem, bu tür TiO 2, Al 2 O 3, WO 3 ve 4 Ag O 4 gibi teknoloji uygulamaları için uygun diğer metal oksitler ile uygulanabilir.

Giriş

Pulsed Laser Deposition (PLD) bir film (bkz. Şekil 1) 1 büyümek için bir alt-tabaka üzerinde biriken edilebilir kesilen tür bir plazma oluşumu ile sonuçlanan bir katı hedef lazer ile kesip alma kullanmaktadır. Bir arka plan atmosfer (inert ya da reaktif) ile etkileşim gaz fazı (bkz. Şekil 2) 2,3 küme içinde homojen çekirdekleşme indüklemek için kullanılır. PLD tarafından malzeme sentezi için stratejimiz dikkatle PLD sürecinde oluşturulan plazma dinamikleri kontrol ederek aşağıdan yukarıya yaklaşım malzeme özelliklerini ayarlama dayanmaktadır. Küme boyutu, kinetik enerji ve kompozisyon 4,5 morfolojik ve yapısal değişiklikler film büyüme ve sonucu etkiler birikimi parametrelerinin uygun bir ayar tarafından değiştirilebilir. Istismar ederek yöntemi biz (örn. WO 3, Ag 4 O 4, Al 2 O 3 oksitlerin bir dizi için, gösterdi burada açıklanannd TiO 2), nano 6-11 az malzeme yapısını değiştirerek morfolojisi ayarlamak için yeteneği, yoğunluk, porozite, yapısal düzeni, stokiyometri ve faz derecesi. Bu, belirli uygulamalar için 12-16 malzeme oluşturulmasını sağlar. Fotovoltaik uygulamalar için referans ile, hiyerarşik boya duyarlı güneş hücreleri photoanodes olarak istihdam ettiği 13 ilginç sonuçlar gösteren bir 'ağaç ormanı' benzer bir nano-ve mesostructure (DSSC toplanmasını nanopartiküller (<10 nm) tarafından düzenlenen nanoyapılı TiO 2 sentezlenmiş ) 17. Bu daha önceki sonuçlara dayanarak biz bir saydam iletken oksit gibi Al-katkılı ZnO (AZO) filmlerin depolanması için protokol açıklar.

Şeffaf iletken oksitler (TCOS) özdirenç <10 -3 ohm-cm ve% 80'den fazla optik transmitral gösteren yüksek bandaralıklı (> 3 eV) ağır doping tarafından iletkenler dönüştürülmüş malzemeler vardırgörünür aralığında ttance. Bunlar dokunmatik ekranlar ve güneş hücreleri 18-21 gibi birçok uygulama için önemli bir unsur olan ve genellikle böyle sıçratma, darbeli lazer çöktürme, kimyasal buhar biriktirme, sprey piroliz ve çözüm odaklı kimyasal yöntemlerle gibi farklı teknikler ile yetiştirilmektedir. TCOS arasında, indiyum-kalay oksit (ITO) yaygın olan düşük direnç için çalışılmıştır, ancak yüksek maliyet ve indiyum düşük kullanılabilirlik dezavantajı muzdarip. Araştırma şimdi böyle F-katkılı SnO 2 (FTO), Al-katkılı ZnO (AZO) ve F-katkılı ZnO (FZO) olarak indiyum-free sistemler yolunda ilerliyor.

Olay ışığın akıllı yönetimi (ışık yakalayıcı) sağlayabilen Elektrotlar fotovoltaik uygulamalar için özellikle ilginçtir. Işığın dalga boyu (örn. 300-1,000 nm), iyi bir kontrol ile karşılaştırılabilir bir ölçekte modüle yapıları ve morfolojileri ile saçtı imkanı yararlanabilmesi içinfilmin morfolojisi ve küme montaj mimarileri üzerinde gereklidir.

Özellikle biz morfolojisi ve AZO filmler yapısı ayarlamak nasıl açıklar. Kompakt AZO düşük basınçlı (2 Pa oksijen) 'de ve oda sıcaklığında depolanmıştır, düşük özdirenç (4,5 x 10 -4 ohm cm) ve AZO yüksek sıcaklıklarda tevdi ile rekabet görünür ışık şeffaflık (>% 90) ile karakterize iken AZO hiyerarşik yapı Bu yapılar 80 ve% 22,23 daha fazla pus faktör ile güçlü bir ışık saçılması yeteneği yukarı göstermek 100 Pa yukarıda O 2 basınçta ablasyonu ile elde edilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Yüzey Hazırlığı

  1. 1 cm bir silisyum dan x 1 cm lik silikon yüzeyler Cut, Silikon SEM karakterizasyonu (düzlem görünümü ve kesit) için iyidir.
  2. 1 cm x 1 cm cam (soda-kireç, 1 mm kalınlığında) kesin, cam, optik ve elektriksel karakterizasyonu için en iyi yöntemdir.
  3. Kontaklar cam yüzeylerde gerekirse, Au kişileri bir maske kullanılarak vakumda buharlaştırıldı edilebilir. Mevduat Au, Au mevduat 50 nm yapışma geliştirmek için bir tabaka olarak Cr 10 nm.
  4. (Örneğin Etilen tetrafloroetilen, ETFE) 1 cm x 1 cm polimer örneği kesin.
  5. 5-10 dakika isopropanol sonicating tarafından substratları temizleyin ve N 2 akış kullanılarak kuru izopropanol içinde durulayın.

2. Lazer Parametrelerinin Lazer Hizalama ve Seçimi

  1. Nd Isınma: YAG lazer ve dördüncü harmonik jeneratör (FHG) kullanarak seçin IV harmonik emisyonu (266 nm dalgaboyu) iki se tarafından oluşturulankaskad cond harmonik üreticilerinin (SHG).
  2. % 2 wt monte edin. Al 2 O 3:. Hedef manipülatör üzerinde ZnO dairesel bir hedef (2 "çap) hedef dönme ve öteleme başlar ve maksimum dikey aralığını ayarlamak, hedefin merkezinde lazer nokta hizalama lazer nokta dış temas asla emin olun. çelik halka hedef düzeltmek için kullanılır. hedef tüm hedef yüzeyinin üniform ablasyonu için bir roto-öteleme hareketi ile taşınır.
  3. Tekrarlama oranı (örneğin 10 Hz) ve darbe enerjisi (örneğin 75 mJ) seçin. Bir güç ölçer ile darbe enerjisi ve monitör lazer kararlılığı ayarlayın.
  4. Seçilen bir konuma odaklama lens taşı ve nokta boyutunu ölçmek için hedef bağlı duyarlı bir kağıt kullanın. Kağıt üzerinde odaklama lens yangın 1-5 lazer atış herhangi bir pozisyon için. Yaklaşık 1 J / cm 2 bir lazer fluence sahip bir mercek konumu seçin.

3. Bir PLD ayarlamaBiriktirme Parametreler d Seçimi

  1. Substrat pozisyon Yerleşimi
    1. Uyum testleri için bir substrat olarak 2 "çapında yaklaşık dairesel bir kağıdı takın.
    2. Bir hedef-substrat mesafe d TS = 50 mm substrat tutucu taşıyın.
    3. Vakum seviyesi 10 -2 Pa ulaşana kadar birincil ve turbomoleküler pompalarla odasının aşağı pompalama başlayın
    4. Bir gaz türü (oksijen) seçin ve uygun gaz basıncı (4. ve 5. bölümlere bakınız) için hız ve gaz akışı pompalama ayarlayın. Dairesel bir korona boyunca homojen bir tabaka kalınlığı elde etmek için tüy merkezine göre alt tabaka manipülatör eksen dışı bölgesinin xy pozisyonunu ayarlar.
    5. Işın stoper / güç metre kaldırarak ablasyon başlayın. Hedef yeni ya da uzun bir süre için kullanılan değilse, bu ön-ablasyon hedefi temizlemek için gerekli ise.
    6. Depozito pape görülebilir zaman ablasyon Durdurr bir görünüm bakarak.
  2. Plazma bulutunun uzunluğu tayini
    1. Adımları 3.1.1 izleyin. 3.1.5 etmek, ablasyon sırasında 0.5 ile bir dijital fotoğraf makinesi ile fotoğraf çekmek - 1 sn birikme süresini ortalama farklı plazma bulutları üzerinde.
    2. Bir referans (bkz. Şekil 3) olarak d TS alarak resimlerden görünür plazma bulutunun uzunluğunu ölçün.
  3. Film kalınlığı kalibrasyonu
    1. Hedef (yani 100 mm ve daha fazla) uzak substrat Taşı ve hedeften d TS eşit mesafede Kuvars Mikro-Dengesi (QCM) hareket ettirin.
    2. Mevduat 1000 lazer çekim (yani 1 '40'') ve yatırılan kütle değerini ölçmek, sonra uzak QCM taşıyın.
    3. 1.1 'de olduğu gibi, bir Si alt tabaka monte edin.
    4. Bir test örneği Depozito (örn. 18,000 lazer çekim, yani 30 ') ve c kesit SEM görüntüleri kullanmakçökelme hızı (nm / pulse) alibrate.

4. Nanoengineered AZO Filmleri çökelmesi

  1. Yapışkan bant kullanılarak numune tutucu manipülatör bölüm 1 deki gibi hazırlanmış yüzeylere monte edin.
  2. 3.1.3 - 3.1.2 adımları izleyin.
  3. Substrat dönüşünü başlatınız.
  4. Kompakt AZO filmler çökelmesi
    1. 20 sccm (basıncı 10 -2 Pa aralığında) az 75-100 W ve Ar gaz akı 100 eV, RF güç iyon silah ve set iyon enerji açın. Ar Temiz yüzeylerde + 5-10 dk iyon silah. Temizleme işleminden yakın gaz giriş sonra ve Argon kaldırmak için odasına aşağı pompalayınız.
    2. Oksijen gaz takın ve 2 Pa oksijen olması hız ve gaz akı pompalama ayarlayın.
    3. 18,000 çekim (30 ') için ablasyon ve mevduat başlar. Adım 3.2 'de tayin edildiği gibi tüy uzunluğu aynı olduğu ablasyon kontrolü sırasında.
    4. durdurmak ablasyon, yakın ggiriş olarak, odasının aşağı pompalayınız.
  5. Hiyerarşik AZO filmler çökelmesi
    1. Oksijen gaz takın ve 160 Pa oksijen olması hız ve gaz akışı pompalama ayarlayın.
    2. 18,000 çekim (30 ') için ablasyon ve mevduat başlar. Adım 3.2 'de tayin edildiği gibi tüy uzunluğu aynı olduğu ablasyon kontrolü sırasında.
    3. odasının aşağı pompalayınız, ablasyon, yakın gaz girişi durur.
  6. Odasının havasını ve örnekleri kaldırmak

5. Elektrikli ve Optik Karakterizasyonu

  1. Dört nokta tekniği (yani Van der Pauw metodu) kullanılarak düzlem-taşınım özellikleri ölçün. Rehber bir şeması için Şekil 4'e bakın. Prob akım tipik değerleri 10 mA ile 1 uA bulunmaktadır. Ölçümler daha iyi bir sabit kalıp kalınlığı (yaklaşık% 5) sağlamak için 0.7 cm x 0.7 cm indirgenmiş örnek alan üzerinde gerçekleştirilir.
  2. Optika ölçünNumunenin ve çıplak alt tabaka geçirgenliği l. Cam / filmi arabirimi 1 ila yoğunluğunu ayarlayarak substrat katkısı spektrumları düzeltin. Kesin bir düzeltme prosedürü için örnek olay ışın bakan cam yüzey ile monte edildiğinden emin olun. 400-700 nm aralığında ortalama transmitans hesaplayarak görünür ışık şeffaflık belirleyin. Işık dağınık kısmını ölçmek için bir 150 mm çaplı entegre küre kullanın Haze faktör toplam iletilen ışık (yani dağınık ve ileriye bulaşan) tarafından dağınık fraksiyonu bölerek hesaplanabilir, Şekil 5'e bakınız.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Oksijen atmosferde PLD tarafından AZO birikimi düşük arka plan gaz basıncı (yani 2 Pa) ve yüksek basınç (yani 160 Pa) de hiyerarşik olarak monte kümeler oluşturduğu mezogözenekli orman benzeri yapılar kompakt şeffaf yürütülmesi filmler üretir. Malzeme olan boyutu 2 Pa 22, maksimum (30 nm) nanokristal etki oluşturmaktadır.

Kesilen tür ve arka plan gaz arasındaki çarpışmalar nedeniyle, plazma tüy şekli ve uzunluğuna boşluk içinde oksijen basıncı ile önemli ölçüde d...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Plazma tüy şekli, özellikle bir gaz varlığında, yakından ablasyon süreci ile ilgili olup, görsel muayene ile plazma tüy izlenmesi tortu kontrol etmek önemlidir. Bir oksit hedef ablasyonu bir metal oksit yatırma zaman, oksijen ablasyon esnasında oksijen kayıpları desteklemek için gereklidir. Düşük oksijen arka gaz basıncı ise, biriken malzemenin oksijen boş olabilir. Bu etki, gaz basıncının artırılması ile azaltılır. Morfolojisi gaz karışımları (: O 2 veya O: yani Ar O 2) stokiyometri ayırm...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Çıkar çatışması ilan etti.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Reaktif / Malzeme Adı Şirket Katalog Numarası
Pulsed Lazer Continuum-Quantronix PowerLite 8010
Güç ölçer Tutarlı FieldMaxII-TO
İyon Gun Mantis Dep RFMax60
Kütle akış kontrolörü Mks 2179 °
Kuvars Kristal Microbalance Infcon XTC / 2
Arkaplan gaz Rivoira-Praxair 5.0 oksijen
Hedef Kurt Leşker (Istek üzerine yapılır)
İzopropanol Sigma Aldrich 190764-2L
Kaynak ölçer Keithley K2400
Mıknatıs Seti Ecopia 0.55T-Kit
Spektrofotometre Perkin Elmer Lambda 1050

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Al minyum Katk l inko OksitNanoyap l FilmlerOksijen Bas n KontrolKompakt FilmlerHiyerar ik Yap larI k Sa lmasElektriksel RezistiviteOptik Ge irgenlik
Fabrikasyon Pulsed Lazer Biriktirme tarafından Transparent letken Oksitler Nano-mühendislik
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.