Fabrication de nano-oxydes conducteurs transparents conçus par ablation laser
Summary
Nous décrivons la méthode expérimentale pour déposer des films minces nanostructurés oxyde par dépôt laser nanoseconde pulsé (PLD) en présence d'un gaz de fond. En utilisant cette méthode d'Al-dopés ZnO (AZO) des films, de la compacte à hiérarchiquement structuré comme nano-arbres des forêts, peuvent être déposés.
Abstract
Laser Deposition nanoseconde pulsé (PLD) en présence d'un gaz de fond permet le dépôt d'oxydes métalliques dont la morphologie, la structure accordable, la densité et la stoechiométrie par un bon contrôle de la dynamique du plasma de l'expansion du panache. Une telle polyvalence peut être exploitée pour produire des films nanostructurés à partir nanoporeux compact et dense pour caractérisée par un ensemble hiérarchique de nano-clusters. En particulier, nous décrivons la méthodologie détaillée pour fabriquer deux types de base de ZnO dopé Al-(AZO) films comme électrodes transparentes dans des dispositifs photovoltaïques: 1) à basse pression O 2, les films compacts avec une conductivité électrique et à proximité de la transparence optique de l'état de l'art oxydes transparents conducteurs (TCO) peuvent être déposés à la température ambiante, pour être compatible avec les matériaux sensibles à la chaleur tels que les polymères utilisés dans le photovoltaïque organique (OPV), 2) très lumineux de diffusion des structures hiérarchiques qui ressemble à une forêt de nano-arbres sont produitsuced à des pressions plus élevées. Ces structures montrent facteur de Haze élevée (> 80%) et peuvent être exploitées pour accroître la capacité de piégeage de la lumière. Le procédé ici décrit pour les films azoïques peuvent être appliquées à d'autres oxydes métalliques présentant un intérêt pour des applications technologiques tels que TiO 2, Al 2 O 3, WO 3 et 4 Ag O 4.
Introduction
Dépôt par laser pulsé (PLD) emploie ablation laser d'une cible solide qui se traduit par la formation d'un plasma d'espèces ablation qui peut être déposé sur un substrat pour faire croître une couche (voir la figure 1) 1. Interaction avec une ambiance de fond (inerte ou réactive) peut être utilisé pour provoquer la nucléation groupe homogène en phase gazeuse (voir Figure 2) 2,3. Notre stratégie pour la synthèse de matériaux par PLD est basé sur le réglage des propriétés des matériaux dans une approche bottom-up en contrôlant soigneusement la dynamique du plasma généré dans le processus de PLD. Taille de la grappe, l'énergie cinétique et la composition peut être modifiée par un réglage approprié des paramètres de dépôt, qui influent sur la croissance du film et entraînent des changements morphologiques et structurales 4,5. En exploitant la méthode décrite ici, nous avons démontré, pour un certain nombre d'oxydes (par exemple WO 3, Ag 4 O 4, Al 2 O 3 ae TiO 2), la capacité de régler la morphologie, la densité, la porosité, le degré d'ordre structurel, la stoechiométrie et de phase en modifiant la structure du matériau à l'échelle nanométrique 6-11. Cela permet la conception de matériaux pour des applications spécifiques 12-16. En référence à des applications photovoltaïques, nous avons synthétisé nanostructuré de TiO 2 hiérarchisée par des nanoparticules d'assemblage (<10 nm) dans une nano-et mésostructure qui ressemble à une "forêt" des arbres 13 montre des résultats intéressants lorsqu'ils sont employés en tant que colorants photoanodes dans les cellules solaires (DSSC ) 17. Sur la base de ces résultats précédents, nous décrivons le protocole pour le dépôt d'Al-dopés ZnO (AZO) les films comme un oxyde conducteur transparent.
Oxydes conducteurs transparents (TCO) sont de bande interdite élevée (> 3 eV) matériaux conducteurs convertis en de dopage lourd, présentant une résistivité <10 -3 ohm-cm et plus de 80% optique transmittance dans le domaine visible. Ils sont un élément clé pour de nombreuses applications comme les écrans tactiles et les cellules solaires 18-21 et ils sont généralement cultivées par différentes techniques telles que la pulvérisation cathodique, ablation laser, dépôt de vapeur chimique, pyrolyse de spray et avec des méthodes chimiques à base de solution. Parmi TCO, l'indium-étain (ITO) a été largement étudié pour sa faible résistivité, mais présente l'inconvénient de son coût élevé et la faible disponibilité de l'indium. Recherche s'oriente maintenant vers l'indium-libres des systèmes tels que F-SnO 2 dopé (FTO), Al-ZnO dopé (AZO) et F-ZnO dopé (FZO).
Électrodes capables de fournir une gestion intelligente de la lumière incidente (piégeage de la lumière) sont particulièrement intéressants pour les applications photovoltaïques. Pour exploiter la possibilité de diffuser la lumière visible par l'intermédiaire des structures et des morphologies modulés à une échelle comparable à la longueur d'onde de la lumière (par exemple, 300-1000 nm), un bon contrôle sur lala morphologie des films et sur des architectures de cluster de montage est nécessaire.
En particulier, nous décrivons comment régler la morphologie et la structure des films AZO. AZO compact déposés à basse pression (2 Pa d'oxygène) et à la température ambiante est caractérisé par une faible résistivité (4,5 x 10 ohms-cm -4) et transparence à la lumière visible (> 90%) qui est en concurrence avec AZO déposés à des températures élevées, alors que AZO structures hiérarchiques sont obtenues par ablation à des pressions supérieures à 2 O 100 Pa. Ces structures en affichant une capacité de diffusion de lumière solide facteur de trouble avec jusqu'à 80% et plus 22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
La forme du panache de plasma est étroitement liée au processus d'ablation, en particulier en présence d'un gaz; surveillance de la plume de plasma par un examen visuel est important de contrôler le dépôt. Lors du dépôt d'un oxyde métallique par ablation d'une cible d'oxyde, de l'oxygène est nécessaire pour soutenir les pertes d'oxygène pendant le processus d'ablation. A la pression en oxygène inférieure gaz de fond, le matériau déposé peut avoir des lacunes d'oxygèn…
Disclosures
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 |
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