تاثیر ضخامت بر ویژگی های ساختاری، اپتیکی و الکتریکی لایه های نازک اکسیدروی آلایش یافته دوگانه (ZnO: Cu, Al)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• لعیا دژم
• امیر هوشنگ رمضانی

گروه فیزیک، واحد تهران غرب، دانشگاه آزاد اسلامی تهران، ایران.

10.22067/jmme.2023.80700.1099

چکیده

لایه های نازک اکسیدروی (ZnO) آلایش یافته با آلومنیوم و مس (CAZO) توسط کندوپاش مغناطیسی جریان مستقیم (DC) تهیه شد. ویژگی‌های ساختاری، اپتیکی و الکتریکی لایه های نازک آلایش یافته دوگانه با استفاده از روش های مشخصه یابی پراش اشعه ایکس(XRD) ، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، طیف سنج نوری (Spectrophotometer) و پراکندگی بازگشتی رادرفورد (RMS) مورد بررسی قرار گرفتند. لایه های نازک با ضخامت های مختلف ساختاری آمورف داشتند. نمودار توزیع ذرات نشان داد که با افزایش ضخامت، اندازه نانوذرات از 10 نانومتر به 25 نانومتر رسیده و بازه تغییرات اندازه ذرات نیز افزایش یافته است.انرژی باندگپ با افزایش ضخامت کاهش یافته اما انرژی اوربچ افزایش یافته است. لایه CAZO با ضخامت 50 نانومتر انرژی فعالسازی کمتر و غلظت حامل های دهنده بیشتری داشتند اما با افزایش ضخامت، غلظت این نوع حامل ها (نوع n) کاهش می یابد، زیرا رسانش در لایه ها کمتر شده و مقاومت در لایه های CAZO با ضخامت 150 نانومتر افزایش یافته است.

کلیدواژه‌ها

• اکسیدروی آلایش یافته دوگانه
• انرژی باندگپ
• انرژی اوربچ
• مقاومت الکتریکی
• انرژی فعالسازی

موضوعات

• نانو مواد

---

عنوان مقاله [English]

Effect of Thickness on Structural, Optical and Electrical Properties of Co-Doped ZnO Thin Films (ZnO: Cu, Al)

نویسندگان [English]

• Laya Dejam
• Amir Hoshang Ramezani

Department of physics, West Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Co-doped ZnO thin films (CAZO) were prepared by DC magnetron sputtering. The structural, electrical and optical properties of thin films were investigated using X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), optical spectrophotometer and Raderford Back Scattering (RBS) techniques. The CAZO thin films with different thicknesses had an amorphous structure. The particle distribution diagram showed that with the increase in thickness, the size of nanoparticles reached from 10 nm to 25 nm and the range of particle size changes also increased. The bandgap energy decreased with the increase in thickness, but the Urbach energy increased. The CAZO thin film with a thickness of 50 nm had lower activation energy and a higher concentration of donor carriers, but with increasing thickness, the concentration of this type of carriers (n-type) decreases, because the conduction in the layers decreases and the resistance in CAZO thin films with a thickness of 150 nm has increased.

کلیدواژه‌ها [English]

• Co- doped zinc oxide
• Bandgap energy
• Urbach energy
• Electrical resistance
• Activation energy

مراجع

[1] M. Ilkhani, L. Dejam, “Structural and optical properties of ZnO and Ni: ZnO thin films: the trace of post-annealing”, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 32, pp.3460, (2021).

[2] H. Honarvar Nazari, L. Dejam, “Investigation of post-annealing effect on Al: ZnO thin films crystallinity and photoluminescence properties”, Physica B: Condensed Matter, Vol. 626, pp. 413461, (2022).

[3] Sh. Solaymani, Ş. Ţălu, N. Beryani Nezafat, L. Dejam, A. Shafiekhani, A. Ghaderi, A. Zelati, “Optical properties and surface dynamics analyses of homojunction and hetrojunction Q/ITO/ZnO/NZO and Q/ITO/ZnO/NiO thin films”, Results in Physics, Vol. 29, pp. 104679, (2021).

[4] L. Dejam, S. Kulesza, J. Sabbaghzadeh, A. Ghaderi, Sh. Solaymani, S. Tălu, M. Bramowicz, M. Amouamouha, A. h. Sari, “ZnO, Cu-doped ZnO, Al-doped ZnO and Cu-Al doped ZnO thin films: Advanced micro-morphology, crystalline structures and optical properties”, Results in Physics, Vol. 44, pp.106209, (2023).

[5] L. Dejam, Sh. Solaymani, S. Kulesza, A. Ghaderi, Ş. Ţălu, M. Bramowicz, “ITO: n‐ZnO: p‐NiO and ITO: n‐ZnO: p‐NZO thin films: Study of crystalline structures, surface statistical metrics, and optical properties”, Microscopy Research and Technique, Vol. 85, pp. 3674-3693, (2022).

[6] A. Ghaderi, A. Shafiekhani, Sh. Solaymani, Ş. Ţălu, H. D. Fonseca Filho, N. S. Ferreira, R. S. Matos, H. Zahrabi, L. Dejam, “Advanced microstructure, morphology and CO gas sensor properties of Cu/Ni bilayers at nanoscale”, Scientific Reports, Vol. 12, pp.1-9, (2022).

[7] S. Hosseini, L. Dejam, H. Elahi, “The characterization of amorphous AZO-n/Si-p hetrojunction diode for solar cell application”, Optical and Quantum Electronics, Vol. 54, pp.1-19, (2022).

[8] M. Joseph, H. Tabata, T. Kawai, “p-Type Electrical Conduction in ZnO Thin Films by Ga and N Codoping”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 38, pp.1205, (1999).

[9] Y. Yan, S. B. Zhang, S. T. Pantelides, “Control of Doping by Impurity Chemical Potentials: Predictions for p -Type ZnO”, Physical Review Letters, Vol. 86, pp.5723, (2001).

[10] L. Dejam, Sh. Solaymani, A. Achour, S. Stach, Ş. Ţălu, N. B. Nezafat, V. Dalouji, A. A. Shokri, A. Ghaderi, “Correlation between surface topography, optical band gaps and crystalline properties of engineered AZO and CAZO thin films”, Chemical Physics Letters, Vol. 719, pp.78-90, (2019).

[11] V. Kumar, S. Neetu, R. M. Mehr, A. Kapoor, L. P. Purohit, H. C. Swart, “Role of film thickness on the properties of ZnO thin films grown by sol-gel method”, Thin Solid Films, Vol. 539, pp.161–165, (2013).  

[12] J. H. Lee, C. Y. Chou, Z. Bi, C. F. Tsa, H. Wang, “Growth-controlled surface roughness in Al-doped ZnO as transparent conducting oxide”, Nanotechnology, Vol. 20, pp. 395704, (2009).

[13] S. Roy, S. Basu, “Improved zinc oxide film for gas sensor applications”, Bullten of  Material Sciences, Vol.  25, pp. 513, (2002).

 [14] Y. J. Zhang, Z. T. Liu, D. Y. Zang, X. S. Che, L. P. Feng,  X. X. Bai, “Effect of annealing temperature on the microstructure and optical–electrical properties of Cu–Al–O thin films”, J. Phys. Chem. Solids, Vol. 74, no. 12, pp. 1672, (2013).

[15] R. Kumar, N. Khare, “Temperature dependence of conduction mechanism of ZnO and Co-doped ZnO thin films”, Thin Solid Films, Vol. 516, no. 6, pp. 1302–1307, (2008).

[16] P. Sagar, M. Kumar, R. M. Mehra, “Electrical and optical properties of sol-gel derived ZnO:Al thin films”, Materials Science-Poland, Vol. 23, no. 3, pp. 3, (2005).

[17] S. Singhal, J. Kaur, T. Namgyal, R. Sharma, “Cu-doped ZnO nanoparticles: Synthesis, structural and electrical properties”, Physica B:Condensed Matter, Vol. 407, no.8,  pp. 1223–1226, (2012).

[18] M. Smirnov, A. P. Rambu, C. Baban, G. I. Rusu, “Electronic Transport Properties in Pollycrystalline ZnO Thin Films”, Journal of Advanced Research in Physics, Vol. 1, pp. 021011, (2010).