研究与评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志
菜单ISSN: 2321 - 6212
ISSN: 2321 - 6212
A.El哈米迪＊， E.Elmahboub, A.El Hichou, A.Almaggoussi
摩洛哥马拉喀什Cadi Ayyad大学光电材料系
收到:2022年1月27日，稿件编号:joms - 22 - 52516;编辑分配:2022年1月29日JOMS 22 - 52516 (PQ);综述:2022年2月10日，QC号JOMS 22 - 52044;修改后:2022年2月12日，稿件编号:JOMS 22 - 52516 (R);发表:19- 2月-2022,DOI: 10.4172/2321-6212.10.2.002。
更多相关文章请访问rayapp0
本工作的目的是研究溶剂对Mg掺杂氧化锌(MZO)薄膜结构、形态和光学性质的影响。XRD分析结果表明，2-甲氧基乙醇溶剂使MZO样品具有优先取向，(002)方案在2% Mg时达到最大值。而甲醇溶剂制备的样品没有偏好性。SEM分析证实，用2-甲氧基乙醇精制MZO结晶分布有序。光学表征表明，当Mg浓度为(2% ~ 3%)时，MZO薄膜的透过率达到最大值90%，折射率最低，为(1.46)。在甲醇溶剂下的细化实验表明，在4% Mg时，透射率达到最大值80%，折射率最小，为1.96。
溶胶-凝胶法;Mg掺杂ZnO;甲醇;2-Methoxyethanol;光学特性;薄膜
多年来，氧化锌的主要应用领域是化工和制药行业。由于该材料具有多种特性，近年来在光电子学领域的新研究方向引起了人们的极大兴趣。ZnO是一种带隙大(~3.37 eV)、键能高(60 meV)的半导体，在可见光和近红外范围内都是透明的。它被认为是GaN材料的“孪生兄弟”[1]，使其在光伏领域的潜在应用变得有趣[2]、照明用发光二极管[3.]、透明导电氧化物(TCO) [4]、光子学或传感器[5］．它还具有II-VI家族的特殊性质:硬度、激子稳定性、压电性、热致色性[6］．
对于ZnO基器件的设计和实现，高效TCO的主要问题之一是找到适当的掺杂，使TCO材料同时具有高导电性和高透光性。要获得高导电性和高透过率，通常需要浓度为1019 cm-3或更高的载流子，以及大于3.3 eV的带隙能量[7］．幸运的是，ZnO薄膜是常用ITO的一种有前途的替代品，它无毒且比ITO更便宜[8］．优化ZnO光学性质的主要挑战之一是将掺杂离子掺入ZnO晶格。许多研究者报道ZnO的光学性质可以通过掺杂一组II元素来改变[9，10］．
本研究利用2-甲氧基乙醇和甲醇两种不同溶剂制备mg掺杂ZnO薄膜，在取代Zn产生的不同电负性影响下，通过影响晶格参数来提高TCO器件的光学性能2 +Mg离子2 +．光学性质随溶剂的变化主要取决于介电常数和沸腾温度两个重要参数。
采用溶胶-凝胶法和自旋镀膜法制备了未掺杂和Mg掺杂ZnO薄膜。用醋酸锌(Zn (CH)溶液溶解脱水醋酸锌，得到均相溶液3.OO)2．2H2O]作为起始原料，2-甲氧基乙醇(C3.H8O2)为溶剂，单乙醇胺(MEA)为稳定剂。采用MEA稳定剂以1:1的比例制备锌前驱体溶液。在0%、1%、2%、3%、4%和5%的Mg含量下，用醋酸镁[Mg(CH3.首席运营官)2.4H2O]作为掺杂元素。同样的程序被重做，但与甲醇溶剂，以研究溶剂对这些样品的光学性质的影响。在丙酮中超声波清洗玻璃基片并在去离子水中冲洗后，使用旋转涂布机以3000转/分运行30秒沉积每一层薄膜。之后，薄膜在150°C下风干。这一干燥过程对每个薄膜重复10次。最后，在500°C下退火1小时。利用x射线衍射(XRD, D/Max-2400)分析薄膜的晶体结构。采用扫描电子显微镜(SEM, JSM-6701F)观察形态表面。利用紫外可见分光光度计(Lambda35 UV/VIS)测量了紫外-可见光通过薄膜的透射光谱，以研究所研究样品的光学性质。
结构和形态特征
x射线衍射被用来确定晶体的结构，晶体的方向和晶体的大小。的图1结果表明，Mg掺杂ZnO的样品在2-甲氧基乙醇和甲醇两种不同溶剂下结晶为纤锌矿结构，并表现为(100)、(002)和(101)峰的树形峰特征。除此之外，用2-甲氧基乙醇制备的样品比用甲醇溶剂合成的样品表现出更强烈的峰，出现了次级峰。为了分析每种溶剂的晶体取向，每个衍射峰的织构系数(TC) (hkl)按以下公式计算[11］．
图1:用不同溶剂A: 2-甲氧基乙醇，B:甲醇，以不同比例溶胶凝胶沉积在玻璃基板上的Mg掺杂ZnO薄膜的x射线图谱。
0% Mg = ZO, 1%Mg =M1ZO, 2% Mg =M2ZO, 3% Mg =M3.ZO, 4% Mg =M4ZO, 5% Mg =M5佐薇
我们注意到，甲醇溶剂制备的所有样品的织构系数都在1左右，这证实了晶体的无序分布。因为用2-甲氧基乙醇制备时，2% Mg的质地系数大于2。我们可以得出结论，与甲醇制备的样品相比，用2-甲氧基乙醇精制的样品具有更好的结晶度。事实上，甲醇的沸点为64.7°C，蒸发迅速，结晶分布混乱，而2-甲氧基乙醇的沸点更大，为126.4°C。在这种情况下，蒸发发生缓慢，给晶体足够的时间有一个首选的方向。贝克卡里等人[12]表明，在沸点较低的溶剂中，蒸发更快，迫使材料向其他方向发展，通常表现为非晶态材料。
计算出的平均晶粒尺寸是通过与每种溶剂(002)峰相关的Scherrer关系得到的。表1和表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。用2-甲氧基乙醇和甲醇两种不同溶剂对溶胶-凝胶法在玻璃基板上沉积Mg掺杂ZnO薄膜的织构系数进行了研究。
| 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。用2-甲氧基乙醇和甲醇两种不同溶剂制备的溶胶-凝胶法在玻璃基板上沉积Mg掺杂ZnO薄膜的晶粒尺寸。
用2-甲氧基乙醇制备的样品在Mg浓度为2%时，晶粒尺寸达到最大值80,70 nm，并开始减小。对于用甲醇溶剂制备的样品，结晶尺寸在35 nm至53 nm之间略有变化，在所有情况下都比用2-甲氧基乙醇制备的样品小得多。这种大小上的差异可归因于两种溶剂介电常数和沸点的差异。事实上，这些星等的值为(32.35;64.7°C)用于甲醇和(16.93;126.4°C)用于2-甲氧基乙醇。在此背景下，Joshi等人。[13]的结果表明，介电常数越大，晶体尺寸越小。
晶格参数a和c由方程[计算得到30.］：
在2-甲氧基乙醇的情况下，晶格参数a和c随着Mg浓度的增加同时下降，直到3% Mg，然后它们增加(图2)．这一结果可能是由于在Zn和Zn之间电负性的巨大差异的影响下，Mg原子占据了(1%至3%)Mg浓度的取代位2 +(1.65)和Mg2 +(1.31)离子。而Mg原子占据取代位的结果再次增加[14］．另一方面，在甲醇溶剂的情况下，参数“c”发生了显著变化，达到了3% Mg的最小值。相反，参数“a”增加，并在相同掺杂百分比下达到最大值。这一现象可以解释为Mg插入ZnO结构过程中存在的实习应力。实际上，由低沸点的甲醇制备的样品结晶度较差，比2-甲氧基-乙醇制备的样品更可能含有更多的约束条件。表3结果表明，这些约束在Mg含量为3%时达到最大值，显著值为5.4 GPa，而2-甲氧基-乙醇生成的ZnO: Mg为2.4 GPa，这导致晶格参数“a”和“c”出现极值。
图2:溶胶-凝胶法在玻璃基板上沉积Mg掺杂ZnO薄膜的晶格参数随不同浓度的变化:A: 2-甲氧基乙醇，B:甲醇。
为了获得关于晶粒的大小、形状或分布的更详细和精确的信息，一些附加的SEM(扫描电子显微镜)表征是必不可少的。2-甲氧基乙醇制备的MZO样品的SEM图像表明，样品具有均匀致密的纳米级结晶结构。还观察到，从1% Mg浓度到3% Mg，晶粒尺寸增大。另一方面，甲醇制备的MZO样品呈现不同取向和不同形状的纳米线，呈现晶粒团聚。正如已经报道的那样，这种形态上的差异可以归因于甲醇和2-甲氧基乙醇之间介电常数和沸点的差异。事实上，在具有高介电常数的溶剂中，醋酸锌形成ZnO核的热分解更自发。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。用2-甲氧基乙醇和甲醇两种不同溶剂研究了溶胶-凝胶法在玻璃基板上沉积Mg掺杂ZnO薄膜的应力。
光学性质
的图3及4显示了在300 ~ 1000 nm范围内，用两种不同溶剂制备的不同比例MZO薄膜的透射光谱。对于甲醇溶剂，MZO的透过率随着Mg的加入而降低，当Mg含量达到4%时，MZO的透过率增加，达到80%。与使用2-甲氧基乙醇得到的结果相反。实际上，使用后者，透光率增加，并在3% Mg时达到最大值，从90%大，对应于高纹理系数(1.96)。在甲醇溶剂的情况下，M4ZO样品的纹理系数也很高(1.26)。因此，我们认为透光率的演变与结晶度有关，特别是与样品的优先取向有关(002)。
图3:不同浓度Mg下溶胶凝胶沉积在玻璃基板上的Mg掺杂ZnO薄膜的SEM图像，分别用A: 2-甲氧基乙醇，B:甲醇。
图4:在不同浓度的Mg下，溶胶-凝胶法在玻璃基板上沉积Mg掺杂ZnO薄膜的透射光谱与波长的关系是由两种不同的溶剂(A: 2-甲氧基乙醇，B:甲醇)阐述的。
图5:用2-甲氧基乙醇和甲醇两种不同溶剂制备的溶胶凝胶在玻璃基板上沉积Mg掺杂ZnO薄膜的禁带宽度随浓度的变化。
1%毫克= M
ZO, 3% Mg =M3.ZO, 5% Mg = M5佐薇
由透射谱推导出MZO薄膜的光学间隙Eg，公式如下:
其中α是吸收系数，A是常数。图5显示了甲醇和2-甲氧基乙醇溶剂中光学带隙随Mg浓度的变化。在甲醇中，间隙增大，在4% Mg时达到最大值，为3.33 eV;在2-甲氧基乙醇中达到最大值，为3% Mg时达到3.35 eV。值得注意的是，对于两种溶剂，光学带隙的能量几乎以相同的方式变化，位移最大值为4%。
Gautam SK等研究表明折射率n (λ)与反射率、透射率和消光系数k(λ)有关[16］．
其中k为消光系数(k = αλ /4π)， T为透射率。
图6及7显示了在380-1500 nm范围内，用两种不同溶剂制备的MZO薄膜在不同Mg掺杂比例下的折射率n (λ)和消光系数k (λ)。这些光学常数随着λ的增加呈指数下降，因此，我们分组在表4和表5λ=600 nm时的值，以密码它们随Mg浓度的演变。结果表明，ZnO的折射率随着Mg的加入而增加，在未掺杂ZnO时折射率值大于n=2，然后在Mg含量为4%时折射率下降，最小值为1.96。这种增加可能是由于结构的紊乱、化学计量的变化或极化率增加引起的内部张力的产生[17，18］．这种行为与2-甲氧基乙醇制备的MZOs样品形成对比，后者在3% Mg时折射率最低可达1.46。这证明了用2-甲氧基乙醇溶剂制备MZO薄膜比用甲醇溶剂制备的MZO薄膜具有更好的透明度。结果表明，溶剂的选择可以改变ZnO掺杂Mg的光学性质。与未掺杂ZnO相比，1%、2%和3% Mg时甲醇消光系数较高，4% Mg时消光系数最小，为0.04。这种增加主要是由于吸收的增加。而在2-甲氧基乙醇中，当Mg浓度为3%时，k (λ=600 nm)达到最小值0,022。结果表明，最佳TCO为M3.ZO和M2用2-甲氧基乙醇溶剂制备ZO。
| 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。用2-甲氧基乙醇和甲醇两种不同溶剂制备的溶胶凝胶法测定了在玻璃基板上沉积的Mg掺杂ZnO薄膜λ=600 nm的折射率。
| Mg浓度 | 0％ | 1% | 2% | 3％ | 4% | 5% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| k (10－2) (2-methoxyethanol) | 5 | 2.7 | 2.7 | 2．2 | 4 | 7 |
| k (10－2)(甲醇) | - | 13 | 11 | 8.7 | 4 | 6 |
表5所示。用2-甲氧基乙醇和甲醇两种不同溶剂制备的溶胶凝胶法测定了λ = 600 nm Mg掺杂ZnO薄膜在玻璃基板上的消光系数。
图6:溶胶-凝胶法在玻璃衬底上沉积不同浓度Mg掺杂ZnO薄膜的折射率研究。
图7:溶胶-凝胶法在玻璃基板上沉积不同浓度Mg掺杂ZnO薄膜时的消光系数:A: 2-甲氧基乙醇，B:甲醇。
以2-甲氧基乙醇和甲醇为溶剂，采用溶胶-凝胶法制备了Mg掺杂ZnO纳米晶薄膜。用x射线衍射对2-甲氧基乙醇制备的样品进行了结构表征，根据(002)计划，其取向优先，Mg的最大值为2%。而甲醇溶剂制备的样品没有偏好性取向，这证实了晶体的无序分布。SEM分析证实了上述结果。光学研究表明，MZO样品的细化极大地提高了光透射率，当Mg浓度为2% ~ 3%时，MZO样品的光透射率最高可达90%，折射率最小值为1.46，低于未掺杂ZnO样品。然而，使用甲醇溶剂时，与使用2-甲氧基乙醇时的现象相反，在4% Mg的透过率下达到最大值80%，同时折射率最小值(1.96)。
［谷歌学者］
［谷歌学者］
［谷歌学者］
