JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

وصفنا المنهج التجريبي لإيداع الأفلام أكسيد رقيقة ذات البنية النانومترية بواسطة ترسب النانوسيكند الليزر النبضي (PLD) في وجود الغاز الخلفية. باستخدام هذا الأسلوب آل مخدر أكسيد الزنك (AZO) أفلام، من تنظيم هرمي إلى الاتفاق كما نانو شجرة الغابات، يمكن المودعة.

Abstract

ترسب النانوسيكند الليزر النبضي (PLD) في وجود الغاز الخلفية يسمح للترسب أكاسيد المعادن مع الانضباطي التشكل، والكثافة، وهيكل ورياضيات الكيمياء من قبل الرقابة السليمة لديناميات البلازما التوسع عمود. يمكن استغلال هذه براعة لإنتاج أفلام ذات البنية النانومترية من nanoporous المدمجة وكثيفة لتتميز الجمعية الهرمي للنانو الحجم مجموعات. ولا سيما أننا وصف منهجية مفصلة لصنع نوعين من آل مخدر أفلام (AZO) أكسيد الزنك وأقطاب شفافة في الأجهزة الضوئية: 1) انخفاض ضغط على 2 O، والتعاقد مع الأفلام التوصيل الكهربائي وإغلاق الشفافية الضوئية للدولة من الفن يمكن إيداع إجراء أكاسيد شفافة (TCO) في درجة حرارة الغرفة، لتكون متوافقة مع المواد الحساسة حراريا مثل البوليمرات المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPVs)؛ 2) ضوء الهياكل الهرمية للغاية نثر تشبه غابة من أشجار النانو هي همزuced في أعلى الضغوط. هذه الهياكل شاهد أعلى عامل بالضباب (> 80٪) ويمكن استغلالها لتعزيز قدرة محاصرة الخفيفة. يمكن تطبيق الطريقة الموصوفة هنا للأفلام AZO لأكاسيد المعادن الأخرى ذات الصلة للتطبيقات التكنولوجية مثل قيس 2، آل 2 O 3، WO 3 و 4 O حج 4.

Introduction

نابض ترسب الليزر (PLD) يعمل الليزر التذرية من هدف الصلبة مما يؤدي إلى تشكيل البلازما من الأنواع التي يمكن أن ذاب يودع على ركيزة للنمو فيلم (انظر الشكل 1) 1. ويمكن استخدام التفاعل مع جو الخلفية (خاملة أو رد الفعل) للحث على كتلة متجانسة التنوي في الطور الغازي (انظر الشكل 2) 2،3. ويستند استراتيجيتنا لتخليق المواد التي PLD على ضبط خصائص المواد في نهج من القاعدة إلى القمة من خلال التحكم بعناية ديناميات البلازما ولدت في عملية PLD. يمكن أن تختلف حجم الكتلة والطاقة الحركية وتكوينها بواسطة الإعداد السليم من المعلمات ترسب التي تؤثر على النمو والفيلم ينتج عنها تغييرات شكلية وهيكلية 4،5. من خلال استغلال وصف الأسلوب هنا أثبتنا، لعدد من أكاسيد (مثل WO 3، 4 O حج 4، آل 2 O 3 علىقيس الثاني 2)، والقدرة على ضبط الصرف، والكثافة والمسامية، درجة من النظام الهيكلي، رياضيات الكيمياء والمرحلة عن طريق تعديل هيكل المواد على مقياس النانو 6-11. وهذا يسمح للتصميم المواد لتطبيقات محددة 12-16. مع الإشارة إلى التطبيقات الكهروضوئية، ونحن توليفها قيس ذات البنية النانومترية 2 تنظيم هرمي من الجسيمات النانوية تجميع (<10 نانومتر) في mesostructure نانو و-يشبه "غابة من الأشجار '13 تظهر نتائج مثيرة للاهتمام عندما يعملن في خلايا الصبغة photoanodes الشمسية توعية (DSSC ) 17. بناء على هذه النتائج السابقة وصفنا بروتوكول لترسب آل مخدر أفلام (AZO) أكسيد الزنك أكسيد باعتباره إجراء شفافة.

أكاسيد شفافة إجراء (الإدارة المعنية) هي ذات فجوة الحزمة عالية (> 3 إلكترون فولت) مواد تحويلها إلى الموصلات من المنشطات الثقيلة، وعرض المقاومية <10 -3 أوم سم، وأكثر من 80٪ transmi البصريةttance في المدى المنظور. فهي عنصر أساسي للعديد من التطبيقات مثل الشاشات التي تعمل باللمس والخلايا الشمسية 18-21 وتزرع عادة من قبل تقنيات مختلفة مثل الاخرق وترسب الليزر النبضي، ترسيب الأبخرة الكيميائية، والانحلال الحراري رذاذ مع الطرق الكيميائية حل مقرا لها. بين الإدارة المعنية، وقد تم الإنديوم أكسيد القصدير (ITO) درس على نطاق واسع لمقاومتها منخفضة لكنها تعاني من العيب من تكلفة عالية وقلة توافر الإنديوم. البحث يتحرك الآن نحو الإنديوم خالية أنظمة مثل 2 سنو F-مخدر (FTO)، آل مخدر أكسيد الزنك (AZO) وF-مخدر أكسيد الزنك (FZO).

أقطاب قادرة على توفير إدارة ذكية من الضوء الساقط (احتباس الضوء) مثيرة للاهتمام بشكل خاص للتطبيقات الضوئية. لاستغلال إمكانية للضوء مبعثر مرئية عبر الهياكل والأشكال التضاريسية التضمين على نطاق مماثل لطول موجة الضوء (مثل 300-1،000 نيو مكسيكو)، وسيطرة جيدة علىوهناك حاجة مورفولوجيا الفيلم وعلى أبنية الجمعية العنقودية.

ولا سيما ونحن تصف كيفية ضبط الصرف وهيكل الأفلام AZO. ويتميز المدمجة AZO المودعة في الضغط المنخفض (2 با الأكسجين) في درجة حرارة الغرفة وقبل المقاومة منخفضة (4.5 × 10 سم أوم -4) ومرئية الشفافية ضوء (> 90٪) وهي نسبة تنافسية مع AZO المودعة في درجات حرارة عالية، في حين AZO ويتم الحصول من الهياكل الهرمية في ablating الضغوط 2 O أعلى من 100 بنسلفانيا هذه الهياكل عرض تشتت الضوء القوي مع عامل القدرة الضباب تصل إلى 80 في المائة وأكثر من 22،23.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. الركيزة إعداد

  1. قطع 1 سم X 1 سم ركائز السيليكون من رقاقة سي، السيليكون هو جيد لتوصيف SEM (مشاهدة الطائرة والمقطع العرضي).
  2. قطع 1 سم X الطول الزجاج 1 (الصودا والجير، 1 مم)، والزجاج هو الأمثل لتوصيف الضوئية والكهربائية.
  3. إذا كانت هناك حاجة على ركائز الزجاج اتصالات، يمكن تبخرت اتصالات الاتحاد الافريقي في الفراغ باستخدام قناع. إيداع 10 نانومتر من الكروم باعتبارها البينية لتحسين التصاق الاتحاد الافريقي، إيداع 50 نانومتر من الاتحاد الافريقي.
  4. قطع 1 سم × 1 سم عينة البوليمر (مثل مضاد الحيوي بالالتصاق الإثيلين، ETFE).
  5. تنظيف ركائز بواسطة sonicating في الأيزوبروبانول ل5-10 دقيقة وشطف في الأيزوبروبانول وجافة باستخدام 2 N التدفق.

2. محاذاة الليزر واختيار معلمات ليزر

  1. الاحماء والثانية: YAG الليزر تشكل وحدد IV الانبعاثات التوافقي (266 نانومتر الطول الموجي) باستخدام مولد 4 التوافقي (FHG) من قبل اثنين من SEمولدات كوند التوافقي (SHG) في تتالي.
  2. شن 2٪ بالوزن. AL 2 O 3: أكسيد الزنك دائرية الهدف (2 "القطر) على مناور الهدف محاذاة بقعة الليزر في مركز الهدف، بدء دوران الهدف والترجمة وتعيين الحد الأقصى العمودي تأكد من أن بقعة الليزر أبدا يمس الخارجية. حلقة الفولاذ المستخدمة لعلاج هذه الهدف. يتم نقل الحركة مع الهدف روتو متعدية أن يكون الاجتثاث الموحد للسطح الهدف كله.
  3. حدد معدل تكرار (مثل 10 هرتز) والنبض الطاقة (على سبيل المثال 75 ميغا جول). ضبط النبض ورصد الاستقرار الطاقة الليزر من قبل السلطة متر.
  4. نقل عدسة التركيز إلى موضع اختيار واستخدام ورقة حساسة تعلق على هدف لقياس حجم البقعة. لأي منصب من النار طلقات الليزر التي تركز عدسة 1-5 على ورقة. تحديد موقف العدسة لديها فلوينس الليزر من حوالي 1 سم / J 2.

3. إنشاء PLD علىد اختيار معلمات ترسب

  1. محاذاة الموقف الركيزة
    1. تحميل ورقة ورقة دائرية قطرها حوالي "2 باعتبارها الركيزة لاختبارات التوافق.
    2. نقل صاحب الركيزة لمسافة الهدف إلى الركيزة د TS = 50 مم.
    3. بدء ضخ أسفل غرفة مع مضخات الابتدائي وحتى المستوى turbomolecular فراغ يصل 10 -2 بنسلفانيا
    4. تحديد نوع الغاز (الأكسجين أي) وضبط سرعة الضخ وتدفق الغاز لديها ضغط الغاز المناسبة (انظر القسمين 4 و 5). ضبط XY موقف تتلاعب الركيزة خارج المحور فيما يتعلق عمود للحصول على مركز موحد سمك أكثر من فيلم الاكليل دائرية.
    5. بدء الاجتثاث عن طريق إزالة شعاع سدادة / السلطة متر. إذا كان الهدف هو جديد أو إذا لم يتم استخدامها لفترة طويلة، وهذا الاجتثاث قبل من الضروري تنظيف الهدف.
    6. وقف الاجتثاث عندما يمكن رؤية وديعة على بابيR يبحث عن منفذ العرض.
  2. تحديد طول عمود البلازما
    1. اتبع الخطوات من 3.1.1. ل3.1.5، خلال الاجتثاث التقاط الصور مع الكاميرا الرقمية مع 0.5 - إلى المتوسط ​​1 مرة ثانية على أعمدة تراكم البلازما مختلفة.
    2. قياس طول عمود البلازما مرئية من التقاط الصور د TS كمرجع (انظر الشكل 3).
  3. معايرة سمك الفيلم
    1. نقل الركيزة بعيدا عن الهدف (أي 100 ملم وأكثر) ونقل الكوارتز الصغيرة الرصيد (QCM) على مسافة متساوية للTS د من الهدف.
    2. إيداع 1000 طلقة ليزر (أي 1 '40 بوصة) وقياس قيمة الشامل المودعة، ثم نقل QCM بعيدا.
    3. تحميل ركيزة سي كما في 1.1.
    4. إيداع عينة الاختبار (على سبيل المثال طلقات الليزر 18000، أي 30 ') واستخدام الصور SEM مقطعية لجalibrate معدل الترسيب (نانومتر / نبض).

4. ترسب أفلام AZO Nanoengineered

  1. تحميل ركائز أعد في القسم 1 على عينة تتلاعب حامل باستخدام شريط لاصق.
  2. اتبع الخطوات من 3.1.2 - 3.1.3.
  3. بدء دوران الركيزة.
  4. ترسب الأفلام المدمجة AZO
    1. التبديل على بندقية ايون ايون ومجموعة الطاقة بنسبة 100 فولت الطاقة RF، في W 75-100 وصول تدفق الغاز في 20 SCCM (هناك ضغط في نطاق 10 باسكال -2). ركائز نظيفة مع ع + أيون بندقية ل5-10 دقيقة. بعد إغلاق مدخل معالجة الغاز وتنظيف غرفة ضخ أسفل لإزالة الأرجون.
    2. إدراج غاز الأكسجين وضبط سرعة ضخ الغاز إلى تدفق ودينا 2 الأكسجين باسكال.
    3. بدء الاجتثاث ودائع لقطات 18000 (30 '). خلال الاختيار الاجتثاث أن طول عمود هو نفسه كما هو محدد في الخطوة 3.2.
    4. وقف الاجتثاث، ز إغلاقكما مدخل، ضخ أسفل القاعة.
  5. ترسب الأفلام AZO منظم هرميا
    1. إدراج غاز الأكسجين وضبط سرعة ضخ الغاز وتدفق الأكسجين لديها 160 باسكال.
    2. بدء الاجتثاث ودائع لقطات 18000 (30 '). خلال الاختيار الاجتثاث أن طول عمود هو نفسه كما هو محدد في الخطوة 3.2.
    3. وقف الاجتثاث، مدخل الغاز وثيق، ضخ أسفل القاعة.
  6. تنفيس الغرفة وإزالة عينات

5. الكهربائية والبصرية توصيف

  1. قياس خصائص النقل في الطائرة باستخدام تقنيات التحقيق أربع (أي أسلوب فان دير ديبو). انظر الشكل 4 لنظام الاتصالات. القيم النموذجية للتيار التحقيق هي في ميكروأمبير 1 إلى مجموعة مللي أمبير 10. يتم تنفيذ القياسات على مساحة العينة خفض إلى 0.7 سم × 0.7 سم لضمان الاتساق أفضل سمك (حوالي 5٪).
  2. قياس البصريالنفاذية لتر من العينة والركيزة العارية. تصحيح أطياف للمساهمة من خلال وضع الركيزة إلى 1 كثافة في واجهة الزجاج / الفيلم. لإجراء التصحيح دقيق تأكد من أن يتم تحميل العينة مع الركيزة الزجاج التي تواجه شعاع الحادث. تحديد الشفافية الضوء المرئي عن طريق حساب متوسط ​​النفاذية في نطاق 400-700 نانومتر. استخدام كرة قطرها 150 مم دمج لقياس نسبة متناثرة من الضوء، ويمكن حساب عامل بالضباب بتقسيم جزء متفرقة على ضوء مجموع المنقولة (أي المنتشرة والتي تنتقل إلى الأمام)، انظر الشكل رقم 5.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

ترسب بواسطة AZO PLD الأكسجين في الغلاف الجوي تنتج الأفلام المدمجة شفافة في إجراء منخفضة خلفية ضغط الغاز (أي 2 باسكال) وmesoporous بالغابات مثل هياكل مكونة من مجموعات تجميعها هرميا في الضغوط العالية (أي 160 باسكال). وتشكل المواد من المجالات nanocrystalline له حجم الحد الأقصى (3...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

شكل سحابة البلازما يرتبط ارتباطا وثيقا بعملية التذرية، وخاصة في وجود الغاز، ورصد عمود البلازما عن طريق التفتيش البصري المهم للسيطرة على الترسيب. عندما إيداع أكسيد المعادن من ablating هدفا أكسيد، هناك حاجة إلى الأكسجين لدعم الخسائر الأكسجين أثناء عملية الاجتثاث. في أقل ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
اسم الكاشف / المواد شركة كتالوج رقم
نابض ليزر بالتواصل Quantronix Powerlite 8010
السلطة متر متماسك FieldMaxII-TO
أيون بندقية السرعوف إقلاع RFMax60
كتلة تدفق تحكم أعضاء الكنيست 2179 °
الكوارتز الكريستال توازن دقيق Infcon XTC / 2
خلفية الغاز Rivoira-PRAXAIR 5،0 الأكسجين
الهدف كورت Lesker (مصنوعة حسب الطلب)
الأيزوبروبانول سيغما الدريتش 190764-2L
مصدر متر شنيعة K2400
المغناطيس كيت Ecopia 0.55T-كيت
الطيف PerkinElmer امدا 1050

References

  1. Pulsed Laser Deposition of Thin Films. Chrisey, D. B., Hubler, G. K. , John Wiley & Sons. New York. (1994).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Fusi, M., Russo, V., Casari, C. S., Li Bassi, A., A,, Bottani, C. E. Titanium oxide nanostructured films by reactive pulsed laser deposition. Applied Surface Science. 255 (10), 5334-5337 (2009).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Grankvist, C. G. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review. Solar Energy Materials & Solar Cells. 91, 1529(2007).
  19. Minami, T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes. Semicond. Sci. Technol. 20, S35(2005).
  20. Fortunato, E., et al. Transparent Conducting Oxides for Photovoltaics. MRS Bulletin. 32, 242(2007).
  21. Exarhos, G. J., et al. Discovery-based design of transparent conducting oxide films. Thin Solid Films. 515, 7025(2007).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Casari, C. S., Li Bassi, A. Pulsed Laser Deposition of Nanostructured Oxides: from Clusters to Functional Films. Advances in Laser and Optics Research. Arkin, W. T. 7, Nova Science Publishers Inc. 65-100 (2012).
  25. 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).
  26. 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. , Accepted (2013).
  27. 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. , Accepted (2013).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

72 Nanoengineering PLD TCO AZO nanoporus SEM

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved