La fabricación de nano-ingeniería óxidos conductores transparentes por deposición por láser pulsado
Summary
Se describe el método experimental para depositar películas delgadas de óxido nanoestructurados por deposición por láser pulsado nanosegundo (PLD) en presencia de un gas de fondo. Mediante el uso de este método Al-ZnO dopada (AZO) películas, desde los compactos hasta jerárquicamente estructurada como bosques nano-árbol, pueden ser depositados.
Abstract
Deposición nanosegundo Láser Pulsado (PLD) en presencia de un gas de fondo permite la deposición de óxidos metálicos con morfología sintonizable, la estructura, la densidad y la estequiometría por un adecuado control de la dinámica de la expansión del plasma del penacho. Esta versatilidad puede ser explotado para producir películas nanoestructuradas de nanoporoso compacto y denso para caracterizado por un conjunto jerárquico de tamaño nano-clusters. En particular, se describe la metodología detallada para fabricar dos tipos de Al-ZnO dopada (AZO) películas como electrodos transparentes en dispositivos fotovoltaicos: 1) a baja presión 2 O, películas compactas con conductividad eléctrica y transparencia óptica estrecha con el estado de la técnica óxidos conductores transparentes (TCO) se puede depositar a temperatura ambiente, para ser compatible con materiales térmicamente sensibles tales como los polímeros usados en la fotovoltaica orgánica (OPV), 2) la gran dispersión de la luz estructuras jerárquicas se asemejan a un bosque de nano-árboles son produced a presiones más altas. Estas estructuras muestran factor de Haze alta (> 80%) y puede ser explotado para mejorar la capacidad de retención de la luz. El método aquí descrito para películas AZO se puede aplicar a otros óxidos metálicos pertinentes para las aplicaciones tecnológicas tales como TiO 2, Al 2 O 3, WO 3 y Ag 4 O 4.
Introduction
Deposición por láser pulsado (PLD) emplea la ablación con láser de un blanco sólido que resulta en la formación de un plasma de especies de ablación que pueden ser depositados sobre un sustrato para crecer una película (véase la Figura 1) 1. Interacción con una atmósfera de fondo (inerte o reactivo) se puede utilizar para inducir la nucleación homogénea de clúster en la fase de gas (véase la Figura 2) 2,3. Nuestra estrategia para la síntesis de material por PLD se basa en el ajuste de las propiedades del material en un enfoque de abajo arriba al controlar cuidadosamente la dinámica del plasma generado en el proceso de PLD. Tamaño de clúster, la energía cinética y la composición se puede variar por un ajuste adecuado de los parámetros de deposición que afectan el crecimiento de la película y dan como resultado cambios 4,5 morfológicas y estructurales. Al explotar el método descrito aquí se demuestra, por un número de óxidos (por ejemplo, WO 3, 4 O 4 Ag, Al 2 O 3 unand TiO 2), la capacidad para sintonizar la morfología, la densidad, la porosidad, el grado de orden estructural, la estequiometría y fase mediante la modificación de la estructura del material en la nanoescala 6-11. Esto permite el diseño de materiales para aplicaciones específicas 12-16. Con referencia a las aplicaciones fotovoltaicas, se sintetizó nanoestructurada TiO 2 se organizan jerárquicamente por nanopartículas de montaje (<10 nm) en un nano-y mesoestructura que se asemeja a una "bosque de los árboles 13 'que muestra resultados interesantes cuando se emplea como photoanodes en células solares de colorante sensibilizadas (DSSC ) 17. Basándose en estos resultados anteriores se describe el protocolo para la deposición de Al-ZnO dopada (AZO) las películas como un óxido conductor transparente.
Óxidos conductores transparentes (TCOs) son bandgap alta (> 3 eV) transformar en materiales conductores por dopaje pesado, mostrando resistividad <10 -3 ohm-cm y más de 80% óptica transmittance en el rango visible. Ellos son un elemento clave para muchas aplicaciones tales como pantallas táctiles y células solares 18-21 y que se cultivan normalmente por diferentes técnicas, tales como la deposición de pulverización catódica, láser pulsado, la deposición química en fase vapor, la pirólisis de pulverización y con métodos químicos basados en soluciones. Entre las TCO, indio-estaño-óxido (ITO) ha sido ampliamente estudiado por su baja resistividad, pero adolece del inconveniente del alto coste y baja disponibilidad de indio. La investigación se orienta ahora hacia indio sistemas libres tales como dopado con F SnO 2 (FTO), Al-ZnO dopado (AZO) y ZnO dopado con F (FZO).
Los electrodos capaces de proporcionar una gestión inteligente de la luz incidente (retención de la luz) son particularmente interesantes para aplicaciones fotovoltaicas. Para aprovechar la posibilidad de dispersar la luz visible a través de las estructuras y morfologías moduladas en una escala comparable a la longitud de onda de la luz (por ejemplo, 300-1,000 nm), un buen control de lamorfología de la película y en arquitecturas de ensamblaje de racimo que se necesita.
En particular, se describe cómo ajustar la morfología y la estructura de las películas AZO. Compacto AZO depositados a baja presión (2 oxígeno Pa) a temperatura ambiente y se caracteriza por una baja resistividad (4,5 x 10 cm ohmios -4) y transparencia a la luz visible (> 90%) que es competitivo con AZO depositado a altas temperaturas, mientras AZO estructuras jerárquicas se obtienen mediante la ablación en O 2 presiones por encima de 100 Pa. Estas estructuras muestran una capacidad de dispersión de luz fuerte con factor de turbidez de hasta 80% y más 22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
La forma de pluma de plasma está estrechamente relacionado con el proceso de ablación, especialmente en presencia de un gas, el seguimiento de la pluma de plasma mediante inspección visual es importante para controlar la deposición. Al depositar un óxido de metal mediante la ablación de un blanco de óxido, el oxígeno es necesario para compensar las pérdidas de oxígeno durante el proceso de ablación. Al disminuir la presión de oxígeno de gas de fondo, el material depositado puede tener vacantes de oxígeno. …
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).
