Изготовление нано-инженерии прозрачных проводящих оксидов методом импульсного лазерного осаждения
Summary
Мы описываем экспериментального метода для нанесения наноструктурированных тонких пленок оксида наносекундной импульсного лазерного осаждения (PLD) в присутствии фонового газа. При использовании этого метода Аль-легированного оксида цинка (AZO) фильмов, от компактных до иерархически структурированы, как нано-дерево леса, может быть сдан на хранение.
Abstract
Наносекундного импульсного лазерного осаждения (PLD) в присутствии фонового газа позволяет осаждения оксидов металлов с перестраиваемой морфологии, структуры, плотности и стехиометрии путем надлежащего контроля динамики плазмы факела расширения. Такая универсальность может быть использована для получения наноструктурных пленок с компактным и плотным, чтобы нанопористых характеризуется иерархической сборки наноразмерных кластеров. В частности, мы подробно описывается методология для изготовления двух типов Аль-легированного оксида цинка (AZO) фильмов, как прозрачных электродов в фотоэлектрических устройств: 1) при низком давлении O 2, компактный фильмы с электрической проводимостью и прозрачностью оптических близки к современным прозрачных проводящих оксидов (TCO) могут быть нанесены при комнатной температуре, чтобы быть совместимым с термочувствительных материалов, например, полимеров, используемых в органической фотовольтаики (OPVs), 2) высоко рассеяния света иерархические структуры, напоминающие лес нано-деревья продуктовuced при более высоких давлениях. Такие структуры показывают высокий коэффициент Haze (> 80%) и может быть использована для повышения свет возможностью захвата. Метод описан здесь для фильмов AZO могут быть применены к другим оксидов металлов, имеющих значение для технологических приложений, таких как TiO 2, Al 2 O 3, WO 3 и Ag 4 O 4.
Introduction
Импульсного лазерного осаждения (PLD) работает лазерной абляции твердой мишени, что приводит к образованию плазмы удаленной видов, которые могут быть нанесены на подложку, чтобы вырастить пленки (см. рисунок 1) 1. Взаимодействие с фоном атмосфере (инертные или реактивной) могут быть использованы, чтобы вызвать гомогенной нуклеации кластеров в газовой фазе (см. Рисунок 2) 2,3. Наша стратегия материалов синтеза ПЛИС основан на настройку свойств материала в снизу вверх, тщательно контролируя динамику плазмы генерируются в PLD процесса. Размер кластера, кинетической энергии и состава можно варьировать, правильной настройкой осаждения параметров, которые влияют на рост фильма и в результате морфологических и структурных изменений 4,5. Воспользовавшись методом, описанным здесь мы продемонстрировали, количество оксидов (например, WO 3, Ag 4 O 4, Al 2 O 3й TiO 2), возможность настройки морфология, плотность, пористость, степень структурного порядка, стехиометрии и фазы путем изменения структуры материала на наноуровне 6-11. Это позволяет создавать материалы для специальных применений 12-16. Со ссылкой на фотоэлектрических приложений, мы синтезировали наноструктурные TiO 2 иерархически организованных сборки наночастиц (<10 нм) в нано-и мезоструктуры, которая напоминает «лесные деревья '13 показывает интересные результаты при использовании в качестве photoanodes в сенсибилизированных красителем солнечных элементов (DSSC ) 17. На основании этих результатов предыдущего опишем протокол для осаждения Al-легированного оксида цинка (AZO) фильмов, как прозрачный проводящий оксид.
Прозрачные проводящие оксиды (TCOS) являются высокие запрещенной зоны (> 3 эВ) материалы превращаются в проводников сильного легирования, показывая сопротивление <10 -3 Ом-см и более чем на 80% оптических transmittance в видимом диапазоне. Они являются ключевым элементом для многих приложений, таких как сенсорные экраны и солнечных батарей 18-21, и они, как правило, выращивают различные методы, такие как распыление, импульсного лазерного осаждения, химическое осаждение из паровой фазы, брызги пиролиза и с решением на основе химических методов. Среди TCOS, индий-олово-оксида (ITO) был широко изучен своим низким удельным сопротивлением, но страдает от недостатка высокой стоимости и низкой доступности индия. Исследования в настоящее время движется в направлении индия-бесплатных систем, таких как F-легированных SnO 2 (FTO), Al-легированного оксида цинка (AZO) и F-легированного оксида цинка (ФЗО).
Электроды способны обеспечить интеллектуальное управление падающего света (свет захват) особенно интересны для фотоэлектрических приложений. Чтобы воспользоваться возможностью, чтобы рассеять видимого света через структуры и морфологии модулированных в масштабах, сравнимых с длиной волны света (например, 300-1000 нм), хороший контроль наМорфология кино и на архитектуру кластера сборки не требуется.
В частности, мы опишем, как настроить морфология и структура пленок AZO. Компактное хранение AZO при низком давлении (2 Pa кислорода) и при комнатной температуре характеризуется низким удельным сопротивлением (4,5 х 10 -4 см Ом) и видимого света прозрачности (> 90%), которая является конкурентоспособной с AZO хранение при высокой температуре, в то время как AZO иерархические структуры получаются путем абляции в O 2 давлении выше 100 Па Эти структуры отображения мощный потенциал рассеяния света с дымкой фактора до 80% и более 22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Форма плазменного факела тесно связана с процесса абляции, особенно в присутствии газа; мониторинг плазменной струи путем визуального осмотра важно контролировать осаждения. При сдаче на хранение оксида металла по разрушающимся оксида цели, кислород, необходимые для поддержки кисло?…
Divulgations
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 |
References
- Chrisey, D. B., Hubler, G. K. . Pulsed Laser Deposition of Thin Films. , (1994).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fusi, M., Russo, V., Casari, C. S., Li Bassi, A., A, C. E., Bottani, Titanium oxide nanostructured films by reactive pulsed laser deposition. Applied Surface Science. 255 (10), 5334-5337 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Grankvist, C. G. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review. Solar Energy Materials & Solar Cells. 91, 1529 (2007).
- Minami, T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes. Semicond. Sci. Technol. 20, S35 (2005).
- Fortunato, E., et al. Transparent Conducting Oxides for Photovoltaics. MRS Bulletin. 32, 242 (2007).
- Exarhos, G. J., et al. Discovery-based design of transparent conducting oxide films. Thin Solid Films. 515, 7025 (2007).
- 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).
- 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).
- Casari, C. S., Li Bassi, A., Arkin, W. T. Pulsed Laser Deposition of Nanostructured Oxides: from Clusters to Functional Films. Advances in Laser and Optics Research. 7, 65-100 (2012).
- 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).
- 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. , (2013).
- 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. , (2013).
