Еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок Ga-легованого ZnO, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання DFT + U
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe70.9.609Ключові слова:
ZnO, радiочастотне магнетронне напилення, DFT, морфологiя, прозорiсть, тонкi плiвкиАнотація
Дослiджено вплив потужностi радiочастотного магнетронного напилення на морфологiю та оптичнi властивостi допованих галiєм тонких плiвок ZnO (GZO). Показано, що зi збiльшенням потужностi напилення зменшуються розмiри кластерiв на поверхнi плiвки та товщина стовпчастої структури кристалiтiв. Встановлено, що зменшення ширини оптичної забороненої зони може бути пов’язане з появою мiжвузлових дефектiв у кристалiчнiй ґратцi. Спостерiгалося збiльшення концентрацiї Ga в плiвках GZO за сталого вагового спiввiдношення вихiдних сумiшей ZnO та Ga при зростаннi потужностi напилення. Запропоновано механiзм формування тонких плiвок GZO при збiльшеннi потужностi магнетронного напилення, який пов’язаний з появою мiжвузлових включень Zn i O в кристалiчнiй ґратцi ZnO. DFT-розрахунки (з поправкою Хаббарда, DFT + U) показали, що пiдвищена концентрацiя Ga не спричиняє звуження оптичної забороненої зони. Натомiсть, збiльшення вмiсту Ga приводить до появи додаткових електронних станiв у валентнiй зонi (–5.0 еВ), що пов’язано з гiбридизацiєю Zn 3d i O 2p з 4s- та 4p-станами Ga, змiною положення енергетичних рiвнiв Zn 3d та O 2p внаслiдок змiни мiжатомних вiдстаней та симетрiї зв’язкiв i перерозподiлом електронної густини навколо атомiв Ga.
Посилання
1. D. Banerjee, J.Y. Lao, D.Z. Wang, J.Y. Huang, Z.F. Ren, D. Steeves, B. Kimball, M. Sennett. Large-quantity freestanding ZnO nanowires. Appl. Phys. Lett. 83, 2061 (2003).
https://doi.org/10.1063/1.1609036
2. K.M. Sandeep, S. Bhat, S.M. Dharmaprakash. Structural, optical, and LED characteristics of ZnO and Al doped ZnO thin films. J. Phys. Chem. Solids 104, 36 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2017.01.003
3. N. Mursal, N. Irhamni, N. Bukhari, Z. Jalil. Structural and optical properties of zinc oxide (ZnO) based thin films deposited by sol-gel spin coating method. J. Phys. Conf. Ser. 1116, 032020 (2018).
https://doi.org/10.1088/1742-6596/1116/3/032020
4. C. Agashe, O. Kluth, G. Sch¨ope, H. Siekmann, J. H¨upkes, B. Rech. Optimization of the electrical properties of magnetron sputtered aluminum-doped zinc oxide films for opto-electronic applications. Thin Solid Films 442, 167 (2003).
https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)00966-0
5. M. Dvorak, S.-H. Wei, Z. Wu. Origin of the variation of exciton binding energy in semiconductors. Phys. Rev. Lett. 110, 016402 (2013).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.016402
6. D.G. Thomas. The exciton spectrum of zinc oxide. J. Phys. Chem. Solids 15, 86 (1960).
https://doi.org/10.1016/0022-3697(60)90104-9
7. P. Mitra, A.P. Chatterjee, H.S. Maiti. ZnO thin film sensor. Mater. Lett. 35, 33 (1998).
https://doi.org/10.1016/S0167-577X(97)00215-2
8. A. Tubtimtae, M.-W. Lee. ZnO nanorods on undoped and indium-doped ZnO thin films as a TCO layer on nonconductive glass for dye-sensitized solar cells. Superlattices Microst. 52, 987 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.spmi.2012.08.002
9. V. Polewczyk, R.M. Maffei, G. Vinai, M. Cicero, S. Prato, P. Capaldo, S.D. Zilio, A. Bona, G. Paolicelli, A. Mescola, S. D'Addato, P. Torelli, S. Benedetti. ZnO thin films growth optimization for piezoelectric application. Sensors 21, 6114 (2021).
https://doi.org/10.3390/s21186114
10. C. Qiu, Y. Wu, J. Song, W. Wang, Z. Li. Efficient planar perovskite solar cells with zno electron transport layer. Coatings 12, 1981 (2022).
https://doi.org/10.3390/coatings12121981
11. D.C. Tiwari, S.K. Dwivedi, P. Dipak, T. Chandel, R. Sharma. Sol-gel derived ZnO as an electron transport layer (ETL) for inverted organic solar cells. In: AIP Conference Proceedings, Provo, Utah, USA, July 16-21, 2017, p. 060024-1.
https://doi.org/10.1063/1.4980429
12. ¨U. ¨Ozg¨ur, Ya. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M.A. Reshchikov, S. Do˘gan, V. Avrutin, S.-j. Cho, H. Morko¸c. A comprehensive review of ZnO materials and devices. J. Appl. Phys. 98, 041301 (2005).
https://doi.org/10.1063/1.1992666
13. A. Kolodziejczak-Radzimska T. Jesionowski. Zinc OxideFrom Synthesis to Application: A review. Materials 7, 2833 (2014).
https://doi.org/10.3390/ma7042833
14. Y.J. Kim, H.S. Lee, J.-S. Noh. Transient behaviors of ZnO thin films on a transparent, flexible polyethylene terephthalate substrate. Thin Solid Films 603, 160 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.02.012
15. P.-H. Lei, H.-M. Wu, C.-M. Hsu. Zinc oxide (ZnO) grown on flexible substrate using dual-plasma-enhanced metalorganic vapor deposition (DPEMOCVD). Surf. Coat. Tech. 206, 3258 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.01.023
16. K. Ellmer, R. Mientus. Carrier transport in polycrystalline transparent conductive oxides: A comparative study of zinc oxide and indium oxide. Thin Solid Films. 516, 4620 (2008).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-73612-7
17. L.C. Nehru, M. Umadevi, C. Sanjeeviraja. Studies on structural, optical and electrical properties of ZnO thin films prepared by the spray pyrolysis method. Int. J. Mater. Eng. 2, 12 (2012).
https://doi.org/10.5923/j.ijme.20120201.03
18. N. Mursal, N. Irhamni, N. Bukhari, Z. Jalil. Structural and optical properties of zinc oxide (ZnO) based thin films deposited by sol-gel spin coating method. J. Phys.: Conf. Ser. 1116, 032020 (2018).
https://doi.org/10.1088/1742-6596/1116/3/032020
19. T.M. Hammad. Effect of annealing on electrical, structural, and optical properties of sol-gel ITO thin films. Phys. Status Solidi (A) Appl. Mater. Sci. 206, 2128 (2009).
https://doi.org/10.1002/pssa.200881781
20. C. Guillen, J. Herrero. Comparison study of ITO thin films deposited by sputtering at room temperature onto polymer and glass substrates. Thin Solid Films 480-481, 129 (2004).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.11.040
21. J.H. Kim, K.A. Jeon, G.H. Kim, S.Y. Lee. Electrical, structural, and optical properties of ITO thin films prepared at room temperature by pulsed laser deposition. Appl. Surf. Sci. 252, 4834 (2005).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.07.134
22. X. Liu et al. In-doped ZnO electron transport layer for High-Efficiency ultrathin flexible organic solar cells. Adv. Sci. 11, 2402158 (2024).
https://doi.org/10.1002/advs.202402158
23. A.K. Ambedkar, M. Singh, V. Kumar, V. Kumar, B.P. Singh, A. Kumar, Y.K. Gautam. Structural, optical and thermoelectric properties of Al-doped ZnO thin films prepared by spray pyrolysis. Surf. Interfaces. 19, 100504 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100504
24. S.D. Ponja, S. Sathasivam, I.P. Parkin, C.J. Carmalt. Highly conductive and transparent gallium doped zinc oxide thin films via chemical vapor deposition. Sci. Rep. 10, 638 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41598-020-57532-7
25. G. Bagha, K. Samavati, H. Naffakh-Moosavy, L.F. Matin. Controlling surface morphology of Ag-doped ZnO as a buffer layer by dispersion engineering in planar perovskite solar cells. Sci. Rep. 14, 4617 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41598-024-55379-w
26. W.B. Tarique, M.H. Rahaman, S.S. Dipta, A.H. Howlader, A. Uddin. Solution-Processed bilayered ZnO electron transport layer for efficient inverted Non-Fullerene organic solar cells. Nanomanufacturing 4, 81 (2024).
https://doi.org/10.3390/nanomanufacturing4020006
27. V.V. Zaika, N.K.Shvachko, V.H. Kasiyanenko, V.L. Karbivskyy, V.O. Moskaliuk, I.V. Sukhenko, A.P. Soroka. The influence of aluminum on the morphological, optical properties and electronic structure of ZnO thin films. Funct. Mater. 31, 185 (2024).
28. A.I. Kashuba, B. Andriyevsky, H.A. Ilchuk, R.Yu. Petrus, T.S. Malyi, I.V. Semkiv. Optical and dispersion parameters of the al-doped ZnO thin film. J. Nano-Electron. Phys. 13, 04006 (2021).
https://doi.org/10.21272/jnep.13(4).04006
29. P. Nunes, E. Fortunato, P. Tonello, F.B. Fernandes, P. Vilarinho, R. Martins. Effect of different dopant elements on the properties of ZnO thin films. Vacuum 64, 281 (2002).
https://doi.org/10.1016/S0042-207X(01)00322-0
30. D.K. Kim. Characteristics of Ga doped ZnO thin films deposited by RF magnetron sputtering with base pressure. Appl. Sci. Converg. Technl. 28, 13 (2019).
https://doi.org/10.5757/ASCT.2019.28.1.13
31. J. Hu, R.G. Gordon. Textured aluminum-doped zinc oxide thin films from atmospheric pressure chemical-vapor deposition. J. Appl. Phys. 71, 880 (1992).
https://doi.org/10.1063/1.351309
32. J.N. Hasnidawani, H.N. Azlina, H. Norita, N.N. Bonnia, S. Ratim, E.S. Ali. Synthesis of ZnO nanostructures using Sol-Gel method. Procedia Chem. 19, 211 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.proche.2016.03.095
33. S.A. Kamaruddin, K.-Y. Chan, H.-K. Yow, M.Z. Sahdan, H. Saim, D. Knipp. Zinc oxide films prepared by sol-gel spin coating technique.Appl. Phys. A 104, 263 (2010).
https://doi.org/10.1007/s00339-010-6121-2
34. M. Krunks, E. Mellikov. Zinc oxide thin films by the spray pyrolysis method. Thin Solid Films 270, 33 (1995).
https://doi.org/10.1016/0040-6090(95)06893-7
35. R.S. Gon¸calves, P. Barrozo, F. Cunha. Optical and structural properties of ZnO thin films grown by magnetron sputtering: Effect of the radio frequency power. Thin Solid Films 616, 265 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.08.040
36. M.K. Khalaf, H.F. Al-Taay, D.S. Ali. Effect of radio frequency magnetron sputtering power on structural and optical properties of Ti6Al4V thin films. Photonic Sens. 7, 163 (2017).
https://doi.org/10.1007/s13320-017-0390-8
37. N. Srinatha, Y.S. No, V.B. Kamble, S. Chakravarty, N. Suriyamurthy, B. Angadi, A.M. Umarji, W.K. Choi. Effect of RF power on the structural, optical and gas sensing properties of RF-sputtered Al doped ZnO thin films. RSC Adv. 6, 9779 (2016).
https://doi.org/10.1039/C5RA22795J
38. X. Yu, J. Ma, F. Ji, Y. Wang, X. Zhang, C. Cheng, H. Ma. Effects of sputtering power on the properties of ZnO : Ga films deposited by r.f. magnetron-sputtering at low temperature. J. Crys. Growth 274, 474 (2004).
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.10.037
39. P. Giannozzi et al. QUANTUM ESPRESSO: A modular and open-source software project for quantum simulations of materials. J. Condens. Matter Phys. 21, 395502 (2009).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502
40. P. Giannozzi et al. Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO. J. Condens. Matter Phys. 29, 465901 (2017).
https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79
41. P. Giannozzi et al. Quantum ESPRESSO toward the exascale. J. Chem. Phys. 152, 154105 (2020).
https://doi.org/10.1063/5.0005082
42. J.P. Perdew, A. Ruzsinszky, G.I. Csonka, O.A. Vydrov, G.E. Scuseria, L.A. Constantin, X. Zhou, K. Burke. Restoring the density-gradient expansion for exchange in solids and surfaces. Phys. Rev. Lett. 100, 136406 (2008).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.136406
43. S.L. Dudarev, G.A. Botton, S.Y. Savrasov, C.J. Humphreys, A.P. Sutton. Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide: An LSDA + U study. Phys. Rev. B 57, 1505 (1998).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.1505
44. D.A. Leon, C. Elgvin, P.D. Nguyen, Ø. Prytz, F.S. Hage, K. Berland. Unraveling many-body effects in ZnO: Combined study using momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy and first-principles calculations. Phys. Rev. B 109, 115153 (2024).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.115153
45. L. Dong, R. Jia, B. Xin, B. Peng, Y. Zhang. Effects of oxygen vacancies on the structural and optical properties of β-Ga2O3. Sci. Rep. 7, 40160 (2017).
https://doi.org/10.1038/srep40160
46. W. Gao, Z. Li. ZnO thin films produced by magnetron sputtering. Ceram. Int. 30, 1155 (2004).
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2003.12.197
47. M. Nie, A. Bikowski, K. Ellmer. Microstructure evolution of Al-doped zinc oxide and Sn-doped indium oxide deposited by radio-frequency magnetron sputtering: A comparison. J. Appl. Phys. 117, 155301 (2015).
https://doi.org/10.1063/1.4916725
48. Y. Sato, M. Taketomo, N. Ito, A. Miyamura, Y. Shigesato. Comparative study on early stages of film growth for transparent conductive oxide films deposited by dc magnetron sputtering. Thin Solid Films 516, 4598 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.05.091
49. K. Ellmer. Magnetron sputtering of transparent conductive zinc oxide: Relation between the sputtering parameters and the electronic properties. J. Phys. D: Appl. Phys. 33, R17 (2000).
https://doi.org/10.1088/0022-3727/33/4/201
50. R. Graillot-Vuilecot, T. Anne-Lise, T. Lecas, C. Cachoncinlle, E. Millon, A. Caillard. Hot target magnetron sputtering process: Effect of infrared radiation on the deposition of titanium and titanium oxide thin films. Vacuum 181, 109734 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109734
51. NIST-JANAF Thermochemical Tables (4th ed.). Edited by M.W. Jr. Chase (American Institute of Physics, 1998) [ISBN: 978-156-3968-31-0].
52. F. Van Craeynest, W.M.D. Vorst, W. Dekeyser. Interpretation of the yellow colour of heat treated ZnO powder. Phys. Status Solidi B 8, 841 (1965).
https://doi.org/10.1002/pssb.19650080322
53. J. Tauc. Optical properties and electronic structure of amorphous Ge and Si. Mater. Res. Bull. 3, 37 (1968).
https://doi.org/10.1016/0025-5408(68)90023-8
54. J. Tauc, R. Grigorovici, A. Vancu. Optical properties and electronic structure of amorphous Germanium. Phys. Status Solidi B 15, 627 (1966).
https://doi.org/10.1002/pssb.19660150224
55. V. Karbivskyy, N. Kurgan, M. Hantusch, A. Romansky, I. Sukhenko, L. Karbivska. Design of the electronic structure and properties of calcium apatites via isomorphic modification of the cation sublattice, and prospects of their application. J. Appl. Phys. 135, 065102 (2024).
https://doi.org/10.1063/5.0179754
56. G.G.N. Angilella, N.H. March, I.A. Howard, R. Pucci. Pressure dependence of the energy gaps in diamond-type semiconductors, and their III-V analogues such as InSb. J. Phys. Conf. Ser. 121, 032006 (2008).
https://doi.org/10.1088/1742-6596/121/3/032006
57. E. Burstein. Anomalous optical absorption limit in INSB. Phys. Rev. 93, 632 (1954).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.93.632
58. T.S. Moss. The interpretation of the properties of indium antimonide. Proc. Phys. Soc. B 67, 775 (1954).
https://doi.org/10.1088/0370-1301/67/10/306
59. K.E. Knutsen, A. Galeckas, A. Zubiaga, F. Tuomisto, G.C. Farlow, B.G. Svensson, A.Yu. Kuznetsov. Zinc vacancy and oxygen interstitial in ZnO revealed by sequential annealing and electron irradiation. Phys. Rev. B 86, 121203 (2012).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.121203
60. L. Schmidt-Mende, J.L. MacManus-Driscoll. ZnO - nanostructures, defects, and devices. Mater. Today 10, 40 (2007).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
