调查溶剂效应的结构形态和光学性质的氧化锌掺杂Mg阐述了溶胶-凝胶方法

一个。埃尔哈米迪^*E。Elmahboub,。El Hichou A.Almaggoussi

光电材料的部门,下级法官Ayyad大学摩洛哥马拉喀什

*通讯作者:: 一个。埃尔哈米迪
光电材料的部门,
下级法官Ayyad大学
马拉喀什,
摩洛哥。
电子邮件: (电子邮件保护)

收到:27 - 1月- 2022,手稿。joms - 22 - 52516;编辑分配:29日- 1月- 2022,PreQC不。JOMS 22 - 52516 (PQ);综述:10 - 2月- 2022年质量控制。JOMS 22 - 52044;修改后:12 - 2月- 2022年手稿。JOMS 22 - 52516 (R);发表:2022年- 2月19日,DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.10.2.002。

访问更多的相关文章rayapp0

文摘

这项工作的目的是研究溶剂的影响结构,形态和光学性质的Mg掺杂氧化锌薄膜(MZO)。XRD分析的结果显示,2-methoxyethanol溶剂赠款MZO样本(002)计划后择优定向最大值为2%毫克。同时,样品由甲醇溶剂没有优先定位。扫描电镜分析证实,阐述与2-methoxyethanol属性有序分布MZO微晶。光学特性表明,MZO薄膜的透光率达到最大值90%(2%对3%)毫克的折射率显示最低(1.46)的价值。精化与甲醇溶剂展览的透光率达到最大值80%至4%毫克,和折射率的最小值为1.96。

关键字

溶胶-凝胶法;Mg掺杂氧化锌;甲醇;2-Methoxyethanol;光学特性;薄膜

介绍

多年来,氧化锌的主要应用程序已使用化学和制药行业。如今,新途径研究光电引起极大的兴趣的这种材料由于其多个属性。氧化锌是半导体带隙(~ 3.37 eV), (60 meV)键能高,它是透明的可见光和近红外范围内。它被认为是一个“孪生”氮化镓材料(1),这使得它有趣,光电领域的潜在的应用(2),发光二极管照明(3透明导电氧化物(TCO) [],4],光子或传感器[5]。它也有特价族化合物家族的财产:硬度、激子稳定,压电,thermochromicity [6]。

基于氧化锌的设计与实现——设备,一个高效TCO的主要问题之一是找到一个适当的掺杂提供TCO材料高导电性和高透光率。运营商价值1019的浓度cm-3或者更多,和带隙能量大于3.3 eV通常所需的高导电率和透光率7]。幸运的是,氧化锌薄膜是一种很有前途的替代常用的ITO,无毒和比ITO便宜(8]。优化光学特性的主要挑战之一的氧化锌掺杂离子的掺入到氧化锌晶格。它被许多研究人员报道,氧化锌的光学特性可以通过掺杂改性氧化锌和一群二元素(9,10]。

在这项研究中,化学氧化锌薄膜是由两种不同的溶剂2-methoxyethanol和阐述了甲醇为了实现TCO设备的光学特性的提高影响晶格参数,电负性差异的影响下通过取代锌^{2 +}离子通过毫克^{2 +}。光学性质的变化与溶剂的变化主要取决于两个重要参数是介电常数和沸腾温度。

材料和方法

联合国掺杂和Mg掺杂氧化锌薄膜样品准备在玻璃使用溶胶凝胶过程旋转涂布紧随其后。一个同质的解决方案是由溶解醋酸锌脱水(锌(CH₃OO)₂。₂H₂O)作为起始物料和2-methoxyethanol (C₃H₈O₂)是用作溶剂和单乙醇胺(MEA)作为稳定剂。锌前驱溶液制备MEA稳定剂的比例为1:1。毫克的内容是在0%、1%、2%、3%、4%和5%使用醋酸镁(毫克(CH₃首席运营官)₂.4H₂O)作为掺杂元素。相同的过程重做,但随着甲醇溶剂为了研究溶剂的影响在这些样品的光学特性。每个膜层沉积使用旋转涂布机操作在3000 rpm为30秒,清洗后超声的玻璃基板,在丙酮和去离子水冲洗。之后,电影被风干在150°C。干燥的过程是每一部电影重复10次。最后,电影在500°C退火一小时。电影是用x射线衍射分析(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。紫外可见透射光谱的光通过的电影被紫外可见分光光度计测量(Lambda35 UV / VIS)为了研究光学性质的研究样本。

结果与讨论

结构和形态特征

利用x射线衍射确定晶体的结构、晶体的取向,晶体的大小。的图1表明,氧化锌掺杂的样品与Mg阐述了两种不同的溶剂即2-methoxyethanoland甲醇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)峰。除此之外,样品由2-methoxy-ethanolshowed更强烈的山峰与二次峰值相比的外观与甲醇溶剂合成。分析每个溶剂微晶的取向,纹理系数(TC) (hkl)为每个衍射峰后计算这个方程(11]。

图1:x射线模式Mg掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃基板通过溶胶凝胶在不同百分比阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol, B:甲醇。

0%毫克=佐薇,1%毫克= M₁佐薇,2%毫克= M₂佐薇,3%毫克= M₃佐薇,4%毫克= M₄佐薇,5%毫克= M₅佐薇

我们注意到所有的样品的结构系数由甲醇溶剂大约是1,这证实了微晶无序分布。自准备2-methoxyethanol了纹理系数大于2 2%毫克。我们可以得出结论,精化与微晶2-methoxyethanol给一个更好的结晶度比样品由甲醇。事实上,甲醇沸点等于64.7°C它蒸发很快离开微晶分布的紊乱,而2-methoxyethanol较大的沸点等于126.4°C。在这种情况下,蒸发发生缓慢,给微晶足够的时间有择优取向。Bekkari et al。12)表示,在与低沸点溶剂,蒸发快,军队在其他材料发展方向和一般的行为像一个非晶态材料。

计算平均晶粒度得到了谢瑞关系相关联的(002)为每个溶剂峰(表1和2)。

Mg浓度	0%	1%	2%	3%	4%	5%
TC (002) 2-methoxyethanol	1.28	1.47	2.16	1.92	0.71	0.93
TC(002)甲醇	- - - - - -	0.891	1.11	0.96	1.36	1.11

表1。纹理系数Mg掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃衬底通过溶胶凝胶阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol和甲醇。

Mg浓度	0%毫克	1%毫克	2%毫克	3%毫克	4%毫克	5%毫克
D (nm) (2-methoxyethanol)	33.52	65.6	80.70	75.5	35.66	35.66
D (nm)(甲醇)	- - - - - -	35.6	42.91	53.679	53.42	35.82

表2。微晶的大小Mg掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃衬底通过溶胶凝胶阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol和甲醇。

微晶尺寸的样品准备2-methoxyethanol 80年达到最大值,70 nm Mg和它开始减少2%。阐述了样品的甲醇溶剂,微晶尺寸35 nm和53海里之间略有不同,这在所有情况下仍远小于同2-methoxyethanol。这种差异大小可以归因于介电常数的差异,在两种溶剂的沸点。事实上,这些大小的值(32.35;甲醇和64.7°C) (16.93;2 - methoxyethanol 126.4°C)。在这种背景下,Joshi et al。13)表明,介电常数越大,微晶尺寸越小。

晶格参数方程的计算和c (30.]:

的2-metoxyethanol、晶格参数a和c Mg浓度逐渐上升同时减少3%毫克,然后他们增加(图2)。这个结果可能是由于置换的职业网站Mg原子的浓度从毫克(1%至3%),在一个大的影响下锌之间的电负性的差异^{2 +}(1.65)和Mg^{2 +}(1.31)离子。同时,占领的re-increase结果由Mg原子置换网站(14]。另一方面,参数“c”在甲醇溶剂中经历了一个显著的变化,达到一个最小值3%毫克。相反,“a”的参数增加,达到一个最大值的掺杂比例。这种现象可以解释为实习生压力的存在在Mg插入氧化锌的结构。事实上,样品,由甲醇,沸点较低,有一个贫穷的结晶度和更有可能包含比2-methoxy-ethanol阐述的约束。表3表明,这些约束达到最大值3%毫克的重要价值5.4绩点2.4与GPa氧化锌:Mg由2-methoxy-ethanol导致晶格参数的极值“a”和“c”。

图2:晶格参数与不同浓度的镁掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃基板通过溶胶凝胶阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol, B:甲醇。

一些额外的特征SEM(扫描电镜)是必不可少的,以获取更详细和精确的信息在大小、形状或分布的谷物。MZO样品的扫描电镜图像由2-methoxy-ethanol表明,样本与一个统一的纳米晶体微观结构规模和密度分布。也观察到浓度1%毫克的晶粒尺寸增加到3%毫克。另一方面,MZO样本由甲醇存在不同方向和不同形状的纳米线,呈现谷物的城市群。这种形态的差异可能是由于已经报道,介电常数和沸点的差异在甲醇和2-methoxyethanol之间。事实上,乙酸锌的热分解形成氧化锌原子核更自发溶剂中具有很高的介电常数(15]。

Mg浓度	0%毫克	1%毫克	2%毫克	3%毫克	4%毫克	5%毫克
σ(GPa) (2-methoxyethanol)	-0.33	1.55	2.33	2.42	1.38	0.95
σ(GPa)(甲醇)	- - - - - -	0.4	3.95	5.4	3	0.72

表3。压力Mg掺杂氧化锌薄膜的沉积在玻璃衬底通过溶胶凝胶阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol和甲醇。

光学性质

的图3和图4显示了光学透射光谱MZO电影的各种准备两种不同溶剂的比例范围300 - 1000海里。甲醇溶剂,样品的透光率MZO增加只要介绍了Mg然后减少当我们达到4%毫克的百分比值的80%。有一个相反的现象,使用2-methoxyethanol获得。事实上,后者,透光率增加,达到最大值90% 3%毫克对应高纹理系数(1.96)。因此,在阐述了甲醇溶剂的情况下,M₄佐薇样本纹理系数高(1.26)。因此,我们认为,透光率的演变与结晶度,特别是样品根据计划的优先取向(002)。

图3:SEM图像的Mg掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃衬底通过溶胶凝胶在不同浓度的Mg阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol, B:甲醇。

图4:透射光谱与波长为毫克掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃衬底通过溶胶凝胶在不同浓度的Mg阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol, B:甲醇。

图5:带隙与不同浓度的镁掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃基板通过溶胶凝胶阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol, B:甲醇。

1%毫克= M

佐薇,3%毫克= M₃佐薇,5%毫克= M₅佐薇

从透射光谱,推导了光学差距如MZO的电影,通过以下方程:

其中α是吸收系数,是一个常数。图5显示了进化功能的光学带隙毫克甲醇浓度和2-methoxyethanol溶剂。甲醇的差距增加,达到最大值4%毫克的价值3.33 eV,同时,它达到最大值的2 - methoxy-ethanol 3%毫克3.35 eV值。指出,光学带隙变化的能量几乎以相同的方式为这两个溶剂位移的最大值为4%。

折射率n(λ)与反射,透射率,和消光系数k(λ)Gautam SK, et al (16]。

k是消光系数(k =αλ/ 4π)和T是透光率。

图6和图7显示折射率n(λ)和消光系数k(λ)MZO薄膜在不同比例的Mg掺杂准备与两种不同的溶剂在380 - 1500纳米的范围。这些光学常数exhibitan指数下降而增加(λ),因此,我们分组表4和表5他们值λ= 600海里,以密码进化与Mg浓度。这些结果表明,折射率增加只要介绍了Mg,把值大于n = 2记录无掺杂氧化锌,然后减少4%毫克最小值为1.96。可以增加障碍引起的结构、化学计量的变化或创造的内部张力引起的极化率的增加(17,18]。这种行为与MZOs 2-methoxyethanol准备的样品,这让折射率最低1.46毫克的3%。这证明精化MZO薄膜与2-methoxyethanol溶剂样品相比更好的透明度由甲醇溶剂。它可以得出结论:溶剂的选择能够修改氧化锌掺杂的光学性质毫克。消光系数需要高值的百分比1%甲醇,2%毫克和3%毫克相比无掺杂的氧化锌,然后降低在4%,最小值为0.04毫克。这一增长主要是由于增加的吸收。虽然2-methoxyethanol, k(λ= 600海里)达到0022 3%毫克的最小值。它可以得出结论:最好的TCO, M₃佐薇和M₂佐薇由2-methoxyethanol溶剂。

Mg浓度	0%	1%	2%	3%	4%	5%
n (2-methoxyethanol)	2.04	1.56	1.55	1.46	1.9	2.66
n(甲醇)	- - - - - -	2.30	2.23	2.1	1.96	2.01

表4。确定折射率值λ= 600 nm的Mg掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃衬底通过溶胶凝胶阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol和甲醇。

Mg浓度	0%	1%	2%	3%	4%	5%
k (10²)(2-methoxyethanol)	5	2.7	2.7	2.2	4	7
k (10²)(甲醇)	- - - - - -	13	11	8.7	4	6

表5所示。确定消光系数值λ= 600 nm的Mg掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃衬底通过溶胶凝胶阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol和甲醇。

图6:折射率为不同浓度的镁掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃基板通过溶胶凝胶阐述了不同的溶剂。

图7:消光系数对不同浓度的镁掺杂氧化锌薄膜沉积在玻璃基板通过溶胶凝胶阐述了两种不同的溶剂:2-methoxyethanol, B:甲醇。

结论

Mg掺杂氧化锌纳米晶薄膜由溶胶-凝胶法制备了两种不同的溶剂2 - methoxyethanol和甲醇。结构使用的样品进行了x射线衍射表征了用2 - methoxyethanol报道据(002)择优定向计划采取最大值2%毫克。,样品由甲醇溶剂没有优惠取向,这证实了微晶无序分布。这些结果证实了扫描电镜分析。光学研究展览,精化MZO样本高度提高光传输,达到一个最大值为90%(2%对3%)Mg伴随着折射率的最小值(1.46)低于无掺杂氧化锌。然而,甲醇溶剂相反的现象,获得使用2-methoxyethanol登记,达到最大值80%透光率在4%毫克,伴随着折射率(1.96)的最小值。

引用

Nahhas M,等。回顾基于GaN /氧化锌混合结构的材料和设备。J纳米杂志2018;6 (2):34-53。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Janfeshan B, et al。氧化锌纳米线阵列合成氧化锌和氮化镓薄膜光伏和发光设备。J的光子能量。2014;4 (1):041599。
(Crossref][谷歌学术搜索]
黄DK, et al。p氧化锌/n氮化镓异质结构氧化锌发光二极管。:列托人。2005;86:222101。
(Crossref][谷歌学术搜索]
s . Pearton et al。氮化镓和ZnO-based材料和设备。施普林格科学与商业媒体。2012;156:1-17。
(谷歌学术搜索]
Kim JS等。氧化锌奈米棒为高度敏感的生物传感器检测特定蛋白结合。韩国phy Soc。2006; 49:1635。
(谷歌学术搜索]
Ozgur U, et al。氧化锌设备和应用程序:一个审查的现状和未来前景。IEEE学报》上。2010,98 (7):1255 - 1268。
(Crossref][谷歌学术搜索]
诺兰JR,等。紫外到远红外介电函数的n型镉氧化物薄膜。物理评论材料。2020;4:025202。
(Crossref][谷歌学术搜索]
阿里MKM et al .沉积氧化铟锡(ITO)薄膜,直流磁控溅射在聚对苯二甲酸乙二醇酯基质。phy篇研究就是这么说的。2011;56:730。
(谷歌学术搜索]
IvetiA结核病,等。退火温度对结构的影响和化学计量氧化锌纳米粒子的光学性质及其光催化效率阿普唑仑退化。陶瓷Int。2014;40:1545 - 1552。
(Crossref][谷歌学术搜索]
萨利姆M,等。裁剪的氧化锌选择第二组元素材料。:a . 2016;122:589。
(Crossref][谷歌学术搜索]
谢赫SK, et al。基于化学浴沉积氧化锌薄膜的紫外光敏探测器。J合金化合物。2016;664:242 - 249。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Bekkari R, et al。溶剂和稳定剂的摩尔比率的增长方向sol-gel-derived氧化锌薄膜。Int J Photoenergy。2019;3164043。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Joshi P, et al。溶剂对形态的影响,磁场和介电性能(α(电子邮件保护))核壳纳米粒子。Heliyon。2017;3 (2):e00253。
(Crossref][谷歌学术搜索][Pubmed]
Sagheer R, et al。Mg掺杂对结构的影响,氧化锌纳米颗粒的形态、光学和热特性。Optik。2020;200:163428。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Ayudhya SKNa, et al。Solvothermal合成氧化锌与不同纵横比使用有机溶剂。结晶增长Des.2006;6:2446。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Gautam SK, et al。巨头增强N型电导率的单相p型氧化锌:N薄膜故意创建的集群和缺陷对。固态Commun。2015;218:20-24。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Sharma P, et al。线性和非线性折射率As-Se-Ge和Bi掺杂As-Se-Ge薄膜。:2010;107:113527。
(Crossref][谷歌学术搜索]
Kaphle,等。折射率的变化在钴掺杂氧化锌纳米结构。应用物理。2017;122 (16):165304。
(Crossref][谷歌学术搜索]