Fremstilling af Nano-manipuleret ledende gennemsigtige Oxider af Impuls Laser Deposition
Summary
Vi beskriver den eksperimentelle metode til at deponere nanostrukturerede tynde film med nanosekund Pulsed Laser Deposition (PLD) i nærvær af en baggrund gas. Ved at anvende denne metode Al-dopede ZnO (AZO) film, fra kompakt til hierarkisk opbygget som nano-tree skove kan deponeres.
Abstract
Nanosekund Pulsed Laser Deposition (PLD) i nærvær af en baggrund gas muliggør aflejring af metaloxider med afstemmelig morfologi, struktur, densitet og støkiometrien af en hensigtsmæssig kontrol af plasma røgfane ekspansion dynamik. En sådan alsidighed kan udnyttes til at producere nanostrukturerede film fra kompakt og tæt til nanoporøse kendetegnet ved en hierarkisk samling af nano-størrelse klynger. I særdeleshed beskriver vi detaljeret metode til at fremstille to typer af Al-dopede ZnO (AZO) film som gennemsigtige elektroder i solcelle-enheder: 1) ved lavt O 2 tryk, kompakte film med elektrisk ledningsevne og optisk transparens tæt på state of the art ledende gennemsigtige oxider (TCO) kan deponeres ved stuetemperatur, for at være forenelig med termisk følsomme materialer såsom polymerer, der anvendes i organisk fotovoltaik (OPVs), 2) højt lysspredning hierarkiske strukturer ligner en skov af nano-træer er produced ved højere tryk. Sådanne strukturer udviser høj Haze faktor (> 80%) og kan udnyttes til at gøre lyset trapping kapacitet. Fremgangsmåden her beskrevet for AZO film kan anvendes på andre metaloxider er relevante for teknologiske anvendelser, såsom TiO2, Al 2 O 3, WO 3 og Ag 4 O 4.
Introduction
Pulsed Laser Deposition (PLD) anvender laserablation af et fast mål, hvilket resulterer i dannelsen af et plasma af ablaterede arter, som aflejres på et substrat for at vokse en film (se figur 1) 1. Interaktion med en baggrund atmosfære (inerte eller reaktive) kan anvendes til at inducere homogen klynge kernedannelse i gasfasen (se figur 2) 2,3. Vores strategi for materiale syntese af PLD er baseret på tuning af materialeegenskaber i en bottom-up-tilgang ved omhyggelig styring plasma dynamik i PLD-processen. Klyngestørrelse, kinetisk energi og sammensætning kan varieres ved en passende indstilling af deposition parametre, som påvirker filmvækst og resultere i morfologiske og strukturelle ændringer 4,5. Ved at udnytte det her beskrevne fremgangsmåde vi demonstreret, for en række oxider (f.eks WO 3, Ag 4 O 4, Al 2 O 3 and TiO 2), i stand til at tune morfologi, densitet, porøsitet, grad af strukturel rækkefølge, støkiometri og fase ved at modificere materialestruktur i nanoskala 6-11. Dette tillader udformning af materialer til specifikke anvendelser 12-16. Med henvisning til fotovoltaiske applikationer, syntetiseret vi nanostrukturerede TiO 2 hierarkisk organiseret af samling nanopartikler (<10 nm) i en nano-og mesostructure, der ligner en »skov af træer '13 viser interessante resultater, når de anvendes som photoanodes i farvestof sensibiliserede solceller (DSSC ) 17. Baseret på disse tidligere resultater beskriver vi protokollen for aflejring af Al-doterede ZnO (AZO) film som en transparent ledende oxid.
Transparent ledende oxider (TCOs) er høj bandgap (> 3 eV) materialer omdannes til ledere af tunge doping, viser resistivitet <10 -3 ohm-cm og mere end 80% optisk transmittance i det synlige område. De er et nøgleelement i mange applikationer såsom touch-skærme og solceller 18-21 og de er typisk vokset med forskellige teknikker, såsom forstøvning, pulserende laser deposition, kemisk dampudfældning, spray pyrolyse og med opløsning-baserede kemiske metoder. Blandt TCOs, har indium-tin-oxid (ITO) været udbredt undersøgt for dets lav resistivitet, men lider af den ulempe af de høje omkostninger og lav tilgængelighed af indium. Forskningen er nu på vej mod indium-frie systemer såsom F-doped SnO 2 (FTO), Al-doped ZnO (AZO) og F-doteret ZnO (FZO).
Elektroder, der kan levere en intelligent styring af det indfaldende lys (lys trapping) er særligt interessant for fotovoltaiske applikationer. For at udnytte muligheden for at sprede synligt lys lederbanestrukturer og morfologier moduleret på en skala svarende til lysets bølgelængde (fx 300-1000 nm), en god kontrol medfilm morfologi og på klynge samling arkitekturer er nødvendig.
I særdeleshed beskriver vi, hvordan at tune morfologi og struktur AZO film. Kompakt AZO deponeret ved lavt tryk (2 Pa oxygen) og ved stuetemperatur er kendetegnet ved lav resistivitet (4,5 x 10 -4 ohm cm) og synligt lys transparens (> 90%), der konkurrerer med AZO deponeret ved høje temperaturer, mens AZO hierarkiske strukturer opnås ved polering på O 2 tryk på over 100 Pa Disse strukturer viser en stærk lysspredning kapacitet med uklarhed faktor op til 80% og mere 22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Plasmaet plume form er tæt relateret til ablationsprocessen, især i nærvær af en gas, overvåge plasma røgfane ved visuel inspektion er vigtigt at kontrollere aflejringen. Ved deponering af en metaloxid ved ablatere en oxid mål, er ilt nødvendig for at understøtte ilt tab i ablationsprocessen. Ved lavere oxygen baggrund gastryk, kan det deponerede materiale har oxygenvakancer. Denne virkning reduceres ved forøgelse af gastrykket. At adskille støkiometri fra morfologi gasblandinger (dvs. Ar: O 2</…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
