Fabrikasjon av Nano-konstruert transparent gjennomføre Oksider av pulset laser Nedfall
Summary
Vi beskriver den eksperimentelle metoden for å sette nanostrukturerte oksid tynnfilmer etter nanosekund pulset laser Nedfall (PLD) i nærvær av en bakgrunn gass. Ved å bruke denne metoden Al-dopet ZnO (AZO) filmer, fra kompakte til hierarkisk strukturert som nano-tre skoger, kan deponeres.
Abstract
Nanosekund pulset laser Nedfall (PLD) i nærvær av en bakgrunn gass tillater avsetning av metalloksyder med avstembar morfologi, struktur, tetthet og støkiometri ved forsvarlig kontroll av plasma plume utvidelse dynamikk. Slik allsidighet kan utnyttes for å produsere nanostrukturerte filmer fra kompakt og tett å nanoporøse preget av en hierarkisk montering av nanostørrelse klynger. Spesielt beskriver vi detaljerte metoder for å dikte to typer Al-dopet ZnO (AZO) filmer som transparente elektroder i fotovoltaiske enheter: 1) ved lav O 2 trykk, kompakte filmer med elektrisk ledningsevne og optiske åpenhet nær state of the art transparent gjennomføre oksider (TCO) kan avsettes ved romtemperatur, for å være kompatibel med termisk følsomme materialer som polymerer brukes i organiske solceller (OPVs), 2) meget lysspredningen hierarkiske strukturer ligner en skog av nano-trærne er produced ved høyere trykk. Slike strukturer viser høy Haze faktor (> 80%) og kan utnyttes for å forbedre lys fangst evne. Metoden her beskrevet for AZO filmer kan brukes til andre metalloksyder relevante for teknologiske anvendelser som 2 TiO, Al 2 O 3, WO 3 og Ag 4 O 4.
Introduction
Pulset laser Nedfall (PLD) bruker laser ablasjon av en solid mål som resulterer i dannelsen av et plasma av ablated arter som kan deponeres på et substrat til å vokse en film (se figur 1) 1. Interaksjon med en bakgrunn atmosfære (inert eller reaktiv) kan brukes til å indusere homogen klynge nukleasjon i gassfase (se Figur 2) 2,3. Vår strategi for material syntese etter PLD er basert på tuning av materialegenskaper i en opp-ned-tilnærming ved nøye kontrollere plasma dynamikk genereres i PLD prosessen. Cluster størrelse, kinetisk energi og sammensetning kan varieres ved en riktig innstilling av nedfall parametere som påvirker filmen vekst og resultere i morfologiske og strukturelle endringer 4,5. Ved å utnytte fremgangsmåten beskrevet her vi demonstrert for et antall av oksider (f.eks WO 3, 4 Ag 4 O, 2 Al O 3 and TiO 2), evnen til å tune morfologi, tetthet, porøsitet, grad av strukturell orden, støkiometrien og fase ved å endre materialet struktur på nanoskala 6-11. Dette gjør at utformingen av materialer for spesifikke applikasjoner 12-16. Med henvisning til fotovoltaiske applikasjoner, syntetisert vi nanostrukturerte TiO 2 hierarkisk organisert av montering nanopartikler (<10 nm) i en nano-og mesostructure som ligner en "skog av trær '13 viser interessante resultater når ansatt som photoanodes i dye sensibiliserte solceller (DSSC ) 17. Basert på disse tidligere resultater beskriver vi protokollen for utfelling av Al-dopet ZnO (AZO) filmer som en gjennomsiktig ledende oksyd.
Transparent gjennomføre oksider (tcos) er høy bandgap (> 3 eV) materialer konverteres til ledere av tung doping, viser resistivitet <10 -3 ohm-cm og mer enn 80% optisk transmittance i det synlige området. De er et sentralt element for mange applikasjoner som berøringsskjermer og solceller 18-21 og de er vanligvis vokst med ulike teknikker som sputtering, pulset laser deponering, kjemisk damp deponering, spray pyrolyse og med løsningen-baserte kjemiske metoder. Blant tcos har indium-tinn-oksyd (ITO) blitt mye studert for sin lave resistivitet men lider av den ulempe av de høye kostnader og lav tilgjengelighet av indium. Forskning er nå på vei mot indium-frie systemer som F-dopet SnO 2 (FTO), Al-dopet ZnO (AZO) og F-dopet ZnO (FZO).
Elektroder som kan gi en intelligent styring av det innfallende lys (lys fangst) er spesielt interessant for fotovoltaiske applikasjoner. Å utnytte muligheten for å spre synlig lys via strukturer og morfologier modulert i målestokk sammenlignbare til bølgelengden av lys (f.eks 300-1000 nm), en god kontroll påfilm morfologi og cluster montering arkitekturer er nødvendig.
Spesielt vil vi beskrive hvordan du stiller morfologi og struktur AZO filmer. Kompakt AZO deponert ved lavt trykk (2 Pa oksygen) og ved romtemperatur er preget av lav resistivitet (4,5 x 10 -4 ohm cm) og synlig lys gjennomsiktighet (> 90%) som er konkurransedyktige med AZO deponert ved høye temperaturer, mens AZO hierarkiske strukturer er oppnådd ved ablating på O 2 trykk over 100 Pa Disse strukturene viser en sterk lysspredning evne med dis faktor opp til 80% og mer 22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Plasma plume formen er nært knyttet til ablasjon prosessen, spesielt i nærvær av en gass, overvåke plasma plume ved visuell inspeksjon er viktig å kontrollere avsetning. Ved deponeringen et metalloksyd ved ablating et oksyd målet, blir oksygen er nødvendig for å støtte oksygen tap under ablasjon prosessen. Ved lavere oksygen bakgrunn gasstrykk, kan det avsatte materiale har oksygen stillinger. Denne effekten er redusert ved å øke gasstrykket. For å separere støkiometri fra morfologi gassblandinger (dvs….
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).
