ייצור של ננו מהונדס תחמוצות שקופות לנהל בתצהיר ליזר פעם
Summary
אנו מתארים את השיטה הניסיונית להפקיד סרטים דקים תחמוצת nanostructured ידי תצהיר ליזר פעם שבריר שני (PLD) בנוכחות גז רקע. באמצעות שיטה זו אל מסומם ZnO סרטים (אזו), מקומפקטית לצורה היררכית כמו יערות ננו עץ, יכול להיות מופקד.
Abstract
הפקדת השבריר השני פעמה ליזר (PLD) בנוכחות גז רקע מאפשרת תצהיר של תחמוצות מתכת עם מורפולוגיה, מבנה, צפיפות והרכב מתכונן על ידי שליטה נכונה של דינמיקת התפשטות פלומת הפלזמה. צדדי כזו יכולה להיות מנוצל כדי להפיק סרטי nanostructured מהקומפקטי והדחוס לnanoporous המאופיין בהרכבה היררכית של אשכולות בגודל ננו. בפרט אנו מתארים את המתודולוגיה המפורטת לפברק שני סוגים של סרטי אל המסומם ZnO (אזו) כאלקטרודות שקופות בהתקני פוטו: 1) בשעת 2 O לחץ נמוך, סרטים קומפקטיים עם מוליכות חשמלית ושקיפות אופטית קרובה למדינה של האמנות תחמוצות ניהול שקופות (TCO) ניתן להפקיד בטמפרטורת חדר, כדי להיות תואם עם חומרים רגישים תרמי כגון פולימרים המשמשים photovoltaics האורגני (OPVs), 2) מבנה היררכי קל מאוד פיזור דמויים יער של ננו עצים הן לדרבןuced בלחצים גבוהים יותר. מבנים כאלה להראות גורם אובך גבוה (> 80%) ועשויים להיות מנוצלים כדי לשפר את יכולת לכידת האור. השיטה שתוארה כאן לסרטי אזו יכולה להיות מיושמת על תחמוצות מתכת אחרות רלוונטיות עבור יישומים טכנולוגיים כגון Tio 2, אל 2 O 3, WO 3 וAg 4 O 4.
Introduction
תצהיר ליזר פעם (PLD) מעסיק אבלציה ליזר של יעד מוצק שגורם להיווצרות של מיני ablated פלזמה שיכולה להיות מופקד על מצע לגדול סרט (ראה תרשים 1) 1. אינטראקציה עם אווירת רקע (אינרטי או ריאקטיבי) ניתן להשתמש כדי לגרום נוקלאציה אשכול הומוגנית בשלב הגז (ראה איור 2) 2,3. האסטרטגיה שלנו לסינתזת חומר על ידי PLD מבוססת על הכוונון של מאפיינים מהותיים בגישה מלמטה למעלה על ידי שליטה על דינמיקת הפלזמה שנוצרה בתהליך PLD בזהירות. גודל אשכול אנרגיה, קינטית והרכב יכולים להיות מגוונת על ידי הגדרה נכונה של פרמטרים המשפיעים על צמיחה בתצהיר סרט ותוצאה בשינויים מורפולוגיים 4.5 ומבניים. על ידי ניצול השיטה המתוארת כאן הפגנו, למספר התחמוצות (למשל WO 3, 4 Ag O 4, אל 2 3 Ond Tio 2), היכולת לכוון מורפולוגיה, צפיפות, הנקבובי, המידה של סדר מבני, Stoichiometry ושלב על ידי שינוי מבנה החומר ב6-11 קנה המידה ננומטרי. זה מאפשר עיצוב של חומרים עבור יישומים ספציפיים 12-16. בהתייחס ליישומי פוטו, אנחנו מסונתזים Tio 2 nanostructured מאורגן באופן היררכי על ידי חלקיקי הרכבה (<10 ננומטר) ובננו-mesostructure דומה "יער של עצים '13 מראים תוצאות מעניינות, כאשר הועסקו כphotoanodes בתאים סולריים רגישים לצבוע (DSSC ) 17. בהתבסס על התוצאות הקודמות אלה אנו מתארים את הפרוטוקול לתצהיר של סרטי אל המסומם ZnO (אזו) כתחמוצת שקופה לנהל.
תחמוצות ניהול שקופות (TCOs) הן bandgap גבוה (> 3 eV) חומרים הומרו למנצחים על ידי סימום כבד, מציג התנגדות <10 -3 אוהם סנטימטרים ויותר מ 80% transmi האופטיttance בטווח הנראה לעין. הם מרכיב מפתח ליישומים רבים כגון מסכי מגע ותאים סולריים 18-21 והם בדרך כלל גדלים על ידי טכניקות שונות כגון מקרטע בתצהיר, פעם ליזר, שיקוע כימי, פירוליזה תרסיס ועם שיטות כימיות פתרון מבוססים. בין TCOs, אינדיום פח התחמוצת (איטו) נחקרה באופן נרחב להתנגדות הנמוכה שלה, אבל סובלת מהחסרון של העלות הגבוהה וזמינות נמוכה של אינדיום. מחקר כרגע הולך לכיוון מערכות אינדיום חינם כגון ה-F-מסומם Sno 2 (FTO), אל המסומם ZnO (אזו) ו-F-מסומם ZnO (FZO).
אלקטרודות המסוגלים לספק ניהול חכם של אירוע האור (השמנת אור) הן מעניינות במיוחד עבור יישומי פוטו. כדי לנצל את האפשרות לאור הנראה באמצעות פיזור מבנים ומורפולוגיות מווסתים בקנה מידה דומים לאורך הגל של אור (300-1,000 ננומטר למשל), שליטה טובה עלמורפולוגיה סרט ועל ארכיטקטורות הרכבת מצרר היא זקוקים.
בפרט אנו מתארים איך לכוון מורפולוגיה ומבנה של סרטי אזו. הקומפקט אזו הופקד בלחץ נמוך (2 חמצן אבא) ובטמפרטורת חדר מאופיין בהתנגדות נמוכה (10 סנטימטרים 4.5 אוהם -4 x) ושקיפות אור הנראה (> 90%), שהנה תחרותי באזו הופקד בטמפרטורות גבוהות, ואילו אזו מבנה היררכי מתקבלים על ידי ablating ב2 לחצי O מעל 100 שבפנסילבניה מבנים אלה להציג יכולת פיזור אור חזקה עם גורם אובך עד 80% ויותר 22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
צורת פלומת הפלזמה היא קשורה קשר הדוק לתהליך אבלציה, במיוחד בנוכחות של גז; ניטור פלומת הפלזמה על ידי בדיקה חזותית חשוב לשלוט בתצהיר. בעת הפקדת תחמוצת מתכת על ידי ablating יעד תחמוצת, חמצן דרוש כדי לתמוך בהפסדי חמצן במהלך תהליך אבלציה. ברקע לחץ גז חמצן נמוך יותר, חומר המופקד …
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 |
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).
