Mg掺杂对结构和光学性质的影响Al-Mg Co-doped氧化锌薄膜沉积通过溶胶-凝胶技术gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

铝掺杂和(Mg-Al) co-doped氧化锌薄膜是由溶胶-凝胶沉积技术从溶液到玻璃基板的最佳条件。结构性的变化,提出电气和光学特性与掺杂浓度。XRD分析显示典型的六角氧化锌结构模式对所有电影和AMZO薄膜择优取向生长沿着c-axis展出。没有发现任何其他结构的衍射峰。晶粒尺寸,结构系数和光学带隙值进行评估提出不同的铝浓度和(Mg-Al)比例。结果表明,增加Mg内容,提高结晶度的电影(002)择优取向和透光率达到85%。优化结果为co-doped (Mg-Al)浓度比例的2/1。gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

氧化锌,溶胶凝胶,Co-doped、压力、光学性质gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

氧化锌是一种半导体材料更重要和有趣的比大多数其他材料属性。这是一个族化合物化合物半导体的电离度驻留在共价键和离子键之间的界线gydF4y2Ba半导体gydF4y2Ba。氧化锌的显著特性是:直接带隙(3、4 eV)在室温下激子结合能高(60 meV) (gydF4y2Ba1gydF4y2Ba),这远远大于(20兆电子伏)和氮化镓奈米(25兆电子伏),可见地区的光学透明度高和低电阻率。激子结合能提高就越高gydF4y2Ba发光gydF4y2Ba效率。无毒性,地球上大量的氧化锌,使其成为理想的候选人作为透明太阳能电池的电接触薄层。雷竞技网页版gydF4y2Ba

由于这些属性,氧化锌成为一个非常有前途的材料等许多实际应用透明导电触点(雷竞技网页版gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),薄膜气体传感器(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba),压敏电阻(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba),声表面波器件(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba),U。V激光器(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba),发光材料(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba),一个n型导电窗口在基于碲化镉薄膜太阳能电池gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]或铟联硒化物(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba和其他人。gydF4y2Ba

几个技术已被用于实验室氧化锌薄膜,如物理气相沉积(PVD) [gydF4y2Ba11gydF4y2Ba),磁控溅射gydF4y2Ba12gydF4y2Ba],喷雾热解法[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba),化学气相沉积(CVD) (gydF4y2Ba14gydF4y2Ba电化学沉积和溶胶-凝胶法处理(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]。在这些工艺、溶胶-凝胶法吸引了更多的利益,因为它伟大的优点:简单、低成本、大面积gydF4y2Ba底物gydF4y2Ba涂层和容易实现兴奋剂合并。gydF4y2Ba

氧化锌的应用可以提高了合适的掺杂剂物理和光学性质取决于掺杂剂和合成条件。注意几个掺杂物测试了不同工艺对氧化锌生长过程。在大多数情况下,掺杂的目的是调节氧化锌薄膜的光学和电学性质。掺杂物,如铝,Ga, B, Ag)和Cl都将提高氧化锌的原生n型导电率(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。搀杂剂可以像Cd, Mg已经被证明修改氧化锌的光学性质改变其带隙(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。所有单掺杂氧化锌薄膜不能同时提高的物理和光学性质。提出另一个有效的方法来增加这些属性同时氧化锌薄膜的gydF4y2Ba24gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。提出传统上在氧化锌薄膜已经准备通过第六组三元素组的组合元素。然而,Al-Mg并未被广泛探讨的结合。许多论文报告co-doped氧化锌的物理性质,其中大部分是固定的第二掺杂剂掺杂剂的不同。但是我们的研究关注解决掺杂剂比例(Mg, Al) /锌= 5%。gydF4y2Ba

在这篇文章中,我们Al-Mg-ZnO薄膜沉积在玻璃衬底通过溶胶-凝胶法介导旋转涂布方法。本研究的主要目的是探讨提出Al-Mg对结构的影响,表面形态和AMZO薄膜的光学特性。gydF4y2Ba

实验部分gydF4y2Ba

铝掺杂氧化锌:偶氮gydF4y2Ba

氧化锌薄膜的掺杂铝沉积在玻璃基板通过溶胶-凝胶法旋转涂布技术。醋酸锌脱水(锌(CHgydF4y2Ba_3gydF4y2BaOO)gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba.2HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO](奥德里奇99%),被用作起始物料。2-methoxyethanol (CgydF4y2Ba_3gydF4y2BaHgydF4y2Ba_8gydF4y2BaOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba),单乙醇胺(MEA),硝酸铝nanohydrate (Al(没有gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba)gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba.9HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)是用作溶剂、稳定剂和掺杂剂。解决方案的浓度维持在0.75 mol / l。我们准备了四个样品用不同的铝掺杂比例(1%、3%、5%和7%)gydF4y2Ba(表1)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

表1。gydF4y2Ba晶格参数和微晶尺寸偶氮薄膜沉积在玻璃衬底的溶胶凝胶和准备不同的浓度。gydF4y2Ba

镁、铝Co-doped氧化锌:AMZOgydF4y2Ba

氧化锌薄膜co-doped Mg和艾尔也通过溶胶-凝胶沉积在玻璃基板旋转涂布技术。醋酸锌脱水(锌(CHgydF4y2Ba_3gydF4y2BaOO)gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba.2HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)是用作起始物料。2-methoxyethanol (CgydF4y2Ba_3gydF4y2BaHgydF4y2Ba_8gydF4y2BaOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba),单乙醇胺(MEA),硝酸铝nanohydrate (Al(没有gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba)gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba.9HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)和醋酸镁(毫克(CHgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba首席运营官)gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba.4HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)分别作为溶剂,使用稳定剂和掺杂物。解决方案的浓度维持在0.75 mol / l和掺杂的浓度被认为是常数指出(毫克,Al) /锌= 5%,铝和镁的内容是多种多样的。使用这种方法,6个样本准备在不同的比率。gydF4y2Ba

掺铝氧化锌和Mg-Al co-doped氧化锌薄膜沉积在玻璃使用旋转涂布技术。首先,玻璃基板在丙酮超声清洗和去离子水冲洗。接下来,得到溶胶是倒在玻璃衬底和旋转涂布。最后,电影在150°C风干和退火500°C的一个小时。准备的薄膜进行x射线衍射(XRD、D / max - 2400)来分析他们的晶体结构。扫描电子显微镜(SEM、地产- 6701 f)被用来探索表面形态。的透光率gydF4y2Ba光谱gydF4y2Ba紫外可见的光通过的电影被紫外可见分光光度计测量(Lambda35 UV / VIS)为了研究研究样品的光学特性。gydF4y2Ba

结果和讨论gydF4y2Ba

铝掺杂氧化锌=偶氮gydF4y2Ba

结构和形态特征:图1gydF4y2Ba显示了x射线衍射模式的不同浓度的铝掺杂氧化锌薄膜。XRD结果显示所有样本的氧化锌掺杂,结晶的纤锌矿结构和氧化锌的展览树峰特征对应于(100),(002)和(101)的地方在2θ= 31,85°,34岁,59°,36岁,42°分别在2θ= 47和小峰,62°,56岁,75°,63年,13°和68年08年°分别对应(102)、(110)、(103)和(112)计划。无掺杂氧化锌薄膜,强劲的强度(002)计划(101)或(100)取向相比飞机表明氧化锌有优惠(002)取向的c-axis垂直于衬底表面。此外,铝掺杂氧化锌薄膜,(101)峰增加指示(101)电影的更有利的方向。类似的结果中观察到的文献[gydF4y2Ba26gydF4y2Ba但El Hichou et al。gydF4y2Ba27gydF4y2Ba)和Trolio et al。gydF4y2Ba28gydF4y2Ba)报道,电影与c-axis择优取向垂直于衬底。此外,对于偶氮、晶格参数和c不同样本Al-doping不敏感gydF4y2Ba(表1)。gydF4y2Ba无二次阶段相关杂质阶段检测偶氮电影中支持,锌离子被艾尔网站代替整个氧化锌晶体的晶格。gydF4y2Ba

不同样品的粒度决定从XRD衍射谱,使用谢瑞关系[gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba]gydF4y2Ba(表1)。图2gydF4y2Ba表明晶粒尺寸的演变与不同浓度。晶粒大小随铝含量增加,范围从33.5和15 nm(002)计划。偶氮电影的微晶尺寸的降低是由于较小的离子半径比锌铝。gydF4y2Ba

扫描gydF4y2Ba显微镜gydF4y2Ba观察被用来分析形态学的研究样本,确定粒子的大小。氧化锌薄膜在解决方案的形态与不同浓度的铝所示的内容gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba。这显然表明,氧化锌薄膜的表面形态的变化增加铝掺杂剂的浓度。无掺杂氧化锌薄膜的SEM图像描绘了一个微观结构由六角形像谷物美联社差不多35 nm大小。随着铝掺杂的增加,偶氮薄膜的表面表现出光滑的表面和较小的晶粒尺寸。Al-doping浓度7%显示了一个恶化的结晶度的电影可能是由于压力引起的离子大小锌和铝掺杂剂之间的差异。gydF4y2Ba

光学性能:gydF4y2Ba光学透光率是一个重要的gydF4y2Ba光学gydF4y2Ba参数为透明导电氧化物。无掺杂的光学透过率光谱和Al-doping氧化锌薄膜显示,所有电影都是透明可见的区域gydF4y2Ba(图4)gydF4y2Ba。铝浓度3%,电影成为导致外观白色层的透光率的降低。gydF4y2Ba

的能量带隙(EgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)可以计算通过假设之间的直接转换价带(EgydF4y2Ba_vgydF4y2Ba)和导带(EgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba通过使用以下方程:gydF4y2Ba

α。hν= a (hν- EgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)gydF4y2Ba^1/2gydF4y2Ba

是一个常数,hν光子能量,如直接带隙半导体的带隙。光学带隙的推断得到的曲线的线性部分(α.hν)gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba作为入射光子能量的函数hν拦截能量轴。如在Al-doping报道的依赖gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba。Al-doping的效果是增加如值3.19 eV和3.22 eV掺杂电影分别为1%和7%。随着铝掺杂水平,光学带隙的电影正在增长,导致吸收边缘转向短的波长区域。偶氮薄膜的带隙比纯的电影。带隙的增加Al-doped氧化锌薄膜的早些时候报道也(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba32gydF4y2Ba),这是归因于Burstein-Moss效应。铝原子捐赠者提供额外的载体,使费米能级进入导带,带隙变大。gydF4y2Ba

铝、镁Co-doped氧化锌:AMZOgydF4y2Ba

结构和形态特征:图6gydF4y2Ba显示无掺杂的XRD模式、掺杂和co-doped氧化锌薄膜。所有衍射峰可以被索引到氧化锌六角纤锌矿结构,表明Mg和铝掺杂没有改变纤锌矿型氧化锌结构。布喇格反射2θ值31日85°,34岁,59°,36岁,42°所分配到的衍射(100),(002)和(101)飞机。小峰(102),(110),(103)和(112)飞机对应2θ值的47个,62°,56岁,75°,63年,13°和68年08年°也被检测到。此外,没有额外的反射表明没有成立的第二阶段。这一结果表明,毫克gydF4y2Ba^{2 +gydF4y2Ba}和艾尔gydF4y2Ba^{3 +gydF4y2Ba}离子被替换成锌gydF4y2Ba^{2 +gydF4y2Ba}离子网站或纳入氧化锌晶格间隙网站。沿(002)晶格方向生长表现出最强的强度表明六角纤锌矿晶体结构的优先增长沿着晶体c-axis [gydF4y2Ba33gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。公司Mg的复合原因重新定位如图所示的相对增加(002)峰强度。gydF4y2Ba

电影根据所示的结晶度结构铝/镁比例的增加。随着镁浓度增加,(002)峰的强度增加和应用价值的峰值增加。扩大的XRD表明一个极好的AMZO结晶度。gydF4y2Ba

我们学习了铝/镁的影响比电影结构的平面(002),通过计算纹理系数TgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba根据以下公式(gydF4y2Ba35gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

计算纹理系数TgydF4y2Ba_CgydF4y2Ba介绍了gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba。AMZO电影有更大的TgydF4y2Ba_CgydF4y2Ba值(002)面表明所有的电影co-doped (Al-Mg) c-axis择优取向。此外,高温gydF4y2Ba_CgydF4y2Ba价值和更高的粒度(30日17海里),获得了为电影A2MZO(2/1比率),沿着增长c-axis表明良好的结晶。这证实了XRD的结果。gydF4y2Ba

的整体结构AMZO薄膜应变的影响是由于毫克/ Al替代氧化锌晶格。层的应力状态从XRD分析可以确定。根据双轴应力模型,压力沿c-axisε的平面垂直于衬底的计算参数c [gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

其中C是层的晶格常数和CgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba层的晶格常数没有压力(CgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba= 0.5206 nm (gydF4y2Ba24gydF4y2Ba])。这个参数的符号表示层经历了压应力(负面)或在一个广泛的压力(正)不同层的方向增长(c-axis)。ε值沿(002)面所有电影AMZO中列出gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。所有应变值发现积极的(广泛或拉伸性质)。纯氧化锌,压力沉积技术的起源和衬底的温度。偶氮,ε的价值是很弱。这种现象解释为占领铝离子的置换网站知道rgydF4y2Ba_{Zn2 +gydF4y2Ba}> rgydF4y2Ba_与gydF4y2Ba。AMZO电影,压力增加,因为占领镁离子的置换网站知道rgydF4y2Ba_{Zn2 +gydF4y2Ba}< rgydF4y2Ba_{Mg2 +gydF4y2Ba}。AMZO的小残余应力薄膜被发现0.568的绩点,当铝/镁比例是2/1。gydF4y2Ba

表2。gydF4y2Ba压力的偶氮和AMZO电影Co-doped (Mg-Al)与各种内容和沉积在眼镜由溶胶凝胶基质。gydF4y2Ba

AMZO薄膜所示的形态gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba。这些扫描电镜图像清楚地表明,氧化锌薄膜的表面形态的变化由于(Al-Mg)提出。注意,晶粒尺寸随增加Mg浓度高达2/1和饱和烃浓度更高gydF4y2Ba(表3)gydF4y2Ba。薄膜沉积在2/1由六角形像谷物大约30日17海里。粒径的减少可能是由于离子半径越小的毫克gydF4y2Ba^{2 +gydF4y2Ba}(0.066 nm)和艾尔gydF4y2Ba^{3 +gydF4y2Ba}(0.053海里),而锌gydF4y2Ba^{2 +gydF4y2Ba}(0.074海里)。毫克/阿尔比是2/1,六角像谷物的平均大小减少和更多的裂缝出现在电影。这个结果是在良好的协议与XRD数据和再次确认的改善提出的电影结晶度比2/1。gydF4y2Ba

表3。gydF4y2Ba晶格参数和微晶大小AMZO电影由溶胶凝胶沉积在玻璃衬底,准备不同的Mg / Al比率。gydF4y2Ba

光学特性:图9gydF4y2Ba显示了氧化锌的透过率光谱、偶氮MZO AMZO薄膜。光谱表明,所有的电影都锋利的紫外吸收边在紫外区域。艾尔的引入导致大幅减少传播通过比较可以看出氧化锌和偶氮样品的结果。介绍了Mg原子,AMZO薄膜表现出更高的透明度比其他电影和增加为2/1和3/1比率最大。Mg内容更大,光传输下降,同时保持优越的偶氮样品。可见地区(400 - 800纳米)的样品在2/1和3/1比率显示最好的传播达到了85%。结果,优秀的透明的样品允许可见光损失最小化,然后改善太阳能收集。这些结果是在协议与XDR和SEM。gydF4y2Ba

隙(EgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba提出)的函数(Al-Mg)所示的内容gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba。AMZO薄膜的能带是优于纯氧化锌薄膜。此外,AMZO薄膜能带隙的增加而增加毫克/ Al配给。AMZO薄膜能带隙的增加归因于费米能级移动到传导带载体浓度的增加所引起的AMZO薄膜因为铝和镁离子的置换锌离子的网站。当电子位于价带需要额外的能量兴奋传导带,更高的能量状态的光学带隙增加。类似的结果也被报道(gydF4y2Ba37gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba]。另一个说明引用了Rouchdi et al。gydF4y2Ba39gydF4y2Ba]。他们有相关的带隙的增加Mg后创建的缺陷gydF4y2Ba^{2 +gydF4y2Ba}代替锌gydF4y2Ba^{2 +gydF4y2Ba}然后进入氧化锌晶格由于离子半径的变化。这一发现是在协议与XDR和SEM。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

透明的电影aluminum-doped和(Mg-Al) co-doped氧化锌沉积了溶胶凝胶技术在玻璃衬底的最佳条件。铝掺杂的影响和物理性质(Mg-Al) co-doped被发现是重要的。结构和形态研究表明,所有电影都是多晶(Mg, Al)具有优先定位与首选c-axis沿[002]方向取向。毫克的添加改变了所有样品AMZO的成核和生长机制。此外,除了毫克提高透光率,进一步提高光学差距。光学带隙能量显示变化从3.17到3.25 eV增加铝/ Mg配给归因于Burstein-Moss效应。的电影形成的2/1(毫克,艾尔)co-doped氧化锌显示高透光率的85%在λ= 500纳米光学带隙3.2 eV。gydF4y2Ba

产生高度透明AM2ZO薄膜在最佳条件为特定的应用程序可能是有用的在太阳能电池透明的n型窗户传感器设备,需要大的表面积。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba

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