Herstellung von transparenten leitenden Oxide durch Pulsed Laser Deposition Nano-engineered
Summary
Wir beschreiben die experimentelle Methode nanostrukturierte Oxid Dünnschichten durch Nanosekunde Pulsed Laser Deposition (PLD) abzuscheiden in Gegenwart von einem Hintergrund Gas. Mit dieser Methode Al-dotiertem ZnO (AZO) Filmen, von kompakt bis hierarchisch nano-Baum Wälder strukturiert werden können hinterlegt.
Abstract
Nanosekunde Pulsed Laser Deposition (PLD), in Gegenwart eines Hintergrundes Gas ermöglicht die Abscheidung von Metalloxiden mit abstimmbare Morphologie, Struktur, Dichte und die Stöchiometrie durch eine geeignete Steuerung der Plasmawolke Expansionsdynamik. Diese Vielseitigkeit kann ausgenutzt werden, um Filme aus nanostrukturierten kompakt und dicht ist, um durch eine nanoporöse hierarchische Anordnung von Nanogröße Clustern dadurch herzustellen. Insbesondere beschreiben wir die detaillierte Methode zwei Typen von Al-dotierte ZnO (AZO)-Folien als transparente Elektroden in Solarzellen herzustellen: 1) bei niedrigen O 2-Druck, kompakte Folien mit elektrischer Leitfähigkeit und optische Transparenz nahe dem Stand der Technik transparente leitfähige Oxide (TCO) kann bei Raumtemperatur aufgebracht werden, um die Kompatibilität mit thermisch empfindliche Materialien wie Polymere in der organischen Photovoltaik (OPV) verwendet; 2) hoch Lichtstreuung hierarchischen Strukturen ähnlich einem Wald von nano-Bäume sind Produkteuced bei höheren Drücken. Solche Strukturen weisen eine hohe Haze-Faktor (> 80%) und kann genutzt werden, um das Licht Fähigkeit zum Einfangen zu verbessern. Das Verfahren hier für AZO beschriebenen Folien können an anderen Metalloxiden, die für technische Anwendungen, wie TiO 2, Al 2 O 3, WO 3 und Ag 4 O 4 eingesetzt werden.
Introduction
Pulsed Laser Deposition (PLD) beschäftigt Laserablation eines festen Target, das in der Bildung eines Plasmas des abgetragenen Spezies, die auf einem Substrat, um einen Film (siehe Abbildung 1) 1 wachsen abgeschieden werden kann resultiert. Interaktion mit dem Hintergrund Atmosphäre (inert oder reaktiv) kann verwendet werden, um eine homogene Cluster Keimbildung in der Gasphase (siehe Abbildung 2) 2,3 induzieren. Unsere Strategie für Material-Synthese durch PLD auf die Abstimmung der Materialeigenschaften in einem Bottom-up-Ansatz durch sorgfältige Kontrolle der Plasma-Dynamik in der PLD-Verfahren erzeugt werden. Cluster-Größe, die kinetische Energie und die Zusammensetzung kann durch eine geeignete Einstellung der Ablagerung Parameter, die Film-Wachstum und Ergebnis in morphologischen und strukturellen Veränderungen 4,5 auswirken variiert werden. Durch die Ausnutzung der hier beschriebenen Methode haben wir gezeigt, für eine Reihe von Oxiden (z. B. WO 3, Ag 4 O 4, Al 2 O 3 einnd TiO 2), die Fähigkeit, Morphologie abzustimmen, Dichte, Porosität, Grad der strukturellen Ordnung, Stöchiometrie und Phase durch Modifizieren des Materials nanoskalige Struktur 6-11. Dies erlaubt die Konstruktion von Materialien für bestimmte Anwendungen 12-16. Mit Bezug auf Photovoltaik-Anwendungen, wir nanostrukturierte TiO 2 hierarchisch nach der Montage Nanopartikel (<10 nm) in einem Nano-und Mesostruktur, die ein "Wald von Bäumen '13 zeigt interessante Ergebnisse, wenn sie als Photoanoden in Farbstoff Solarzellen eingesetzt ähnelt (DSSC organisiert synthetisiert ) 17. Basierend auf diesen früheren Ergebnisse, die wir beschreiben das Protokoll für die Abscheidung von Al-dotierte ZnO (AZO)-Folien als transparentes leitfähiges Oxid.
Transparente leitfähige Oxide (TCO) sind hoch Bandlücke (> 3 eV) Materialien in Leitern durch starke Dotierung umgewandelt, Anzeigen Widerstand <10 -3 Ohm-cm und mehr als 80% optische Abschaltung derttance im sichtbaren Bereich. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil für viele Anwendungen wie Touchscreens und Solarzellen 18-21 und sie werden typischerweise durch verschiedene Techniken, wie Sputtern, Pulsed Laser Deposition, chemische Dampfabscheidung, Sprühpyrolyse und mit Lösungs-chemischen Methoden gezüchtet. Unter TCOs hat Indium-Zinn-Oxid (ITO) weithin für seine niedrige spezifische Widerstand untersucht, aber hat den Nachteil der hohen Kosten und der geringen Verfügbarkeit von Indium. Forschung bewegt sich nun in Richtung Indium-freie Systeme wie F-dotiertem SnO 2 (FTO), ZnO-Al-dotierten (AZO) und F-dotierten ZnO (FZO).
Elektroden fähig ist, eine intelligente Verwaltung des einfallenden Lichts (Lichteinfang) sind besonders interessant für die Photovoltaik. Um die Möglichkeit zu streuen sichtbares Licht über Strukturen und Morphologien moduliert einer Skala vergleichbar mit der Wellenlänge des Lichts (zB 300-1000 nm), eine gute Kontrolle über die nutzenFilmmorphologie und auf Cluster-Montage Architekturen benötigt wird.
Insbesondere werden wir beschreiben, wie Morphologie und Struktur von AZO Filmen einzustellen. Kompakte AZO hinterlegt bei Niederdruck (2 Pa Sauerstoff) und bei Raumtemperatur wird von niedrigem spezifischen Widerstand (4,5 x 10 -4 Ohm-cm) und sichtbarem Licht transparent (> 90%), die im Wettbewerb mit AZO hinterlegt bei hohen Temperaturen ist aus, während AZO hierarchischen Strukturen werden durch Abtragen bei O 2 Drücken über 100 Pa Diese Strukturen zeigen eine starke Lichtstreuvermögen mit Dunst Faktor bis zu 80% und mehr 22,23 erhalten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Plasma-Plume Form ist eng mit der Ablations-Verfahren verbunden, insbesondere in Gegenwart eines Gases, Überwachung der Plasmasäule durch visuelle Inspektion ist wichtig, um die Abscheidung zu steuern. Beim Aufbringen einer Metalloxidschicht durch Abtragen eines Oxid Target wird Sauerstoff benötigt, um Sauerstoff Verluste während der Ablation zu unterstützen. Bei niedrigeren Sauerstoff-Hintergrund Gasdruck, kann das abgeschiedene Material haben Sauerstoffleerstellen. Dieser Effekt wird durch Erhöhen der Gasdru…
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).
