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  • Discusión
  • Divulgaciones
  • Materiales
  • Referencias
  • Reimpresiones y Permisos

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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.

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Protocolo

1. Preparación del soporte

  1. Cortar 1 cm x 1 cm sustratos de silicio de una oblea de Si, el silicio es bueno para la caracterización SEM (vista en planta y sección transversal).
  2. Cortar 1 cm x 1 cm de vidrio (de sosa y cal, 1 mm de espesor), el vidrio es óptima para la caracterización óptica y eléctrica.
  3. Si los contactos se necesitan sobre sustratos de vidrio, contactos Au puede ser evaporado en vacío mediante el uso de una máscara. Depósito 10 nm de Cr como capa intermedia para mejorar la adhesión de Au, depósito de 50 nm de Au.
  4. Cortar 1 cm x 1 cm de la muestra de polímero (por ejemplo, etileno tetrafluoroetileno, ETFE).
  5. Limpie los substratos mediante sonicación en isopropanol durante 5-10 minutos y enjuagar con isopropanol y seco, con un flujo de N2.

2. Alineación Láser y Selección de parámetros del láser

  1. Un calentamiento del láser Nd: YAG y de selección de emisión IV armónico (266 nm longitud de onda) mediante el uso de un generador de cuarto armónico (FHG) constituida por dos síClimatizador de generadores de armónicos (SHG) en cascada.
  2. Montar un peso del 2%. Al 2 O 3:. ZnO objetivo circular (2 "de diámetro) en el manipulador de destino Alinear el punto de láser en el centro de la diana, iniciar la rotación de destino y de la traducción y establecer el rango vertical máxima Compruebe que el punto de láser nunca toca el externo. anillo de acero utilizado para fijar el objetivo. El objetivo se mueve con un movimiento de roto-traslación para una ablación uniforme de la superficie objetivo en su conjunto.
  3. Seleccione tasa de repetición (por ejemplo, 10 Hz) y energía de pulso (por ejemplo, 75 mJ). Ajuste pulso de energía láser y la estabilidad del monitor por un medidor de potencia.
  4. Mover la lente de enfoque hasta una posición seleccionada y el uso de una hoja de papel sensible unido al objetivo para medir el tamaño del punto. Para cualquier posición de los disparos por lentes fuego láser 1-5 en el papel. Seleccione una posición de la lente para tener una fluencia del láser de aproximadamente 1 J / cm 2.

3. La creación de un PLDSelección de parámetros de deposición d

  1. Alineación de la posición de sustrato
    1. Montar una hoja de papel circular alrededor de 2 "de diámetro como sustrato para pruebas de alineación.
    2. Mueva el soporte de sustrato a una distancia a la diana-a-sustrato TS d = 50 mm.
    3. Empiece a bombear hacia abajo de la cámara de bombas turbomolecular primaria y hasta el nivel de vacío alcanza 10 -2 Pa
    4. Seleccione un tipo de gas (oxígeno por ejemplo) y ajustar la velocidad de bombeo y flujo de gas para que la presión de gas adecuada (véanse las secciones 4 y 5). Ajuste de la posición xy del manipulador sustrato fuera del eje con respecto al centro de la pluma para obtener el espesor de película uniforme sobre una corona circular.
    5. Comience ablación mediante la eliminación de la viga tapón / medidor de potencia. Si el destino es nuevo o si no se usa durante mucho tiempo, esta ablación usada es necesario limpiar el objetivo.
    6. Detener la ablación cuando un depósito se puede ver en el paper mirando desde una ventana.
  2. Determinación de la longitud de la pluma de plasma
    1. Siga los pasos 3.1.1. a 3.1.5, durante la ablación tomar fotos con una cámara digital con 0,5 - 1 vez acumulación sa media en plasma plumas diferentes.
    2. Medir la longitud de plasma del penacho visible de las imágenes que toman d TS como referencia (véase la Figura 3).
  3. La calibración del espesor de la película
    1. Mueva el sustrato lejos de la diana (es decir, 100 mm y más) y mover el cuarzo Micro-Balance (QCM) a una distancia igual a d TS de la diana.
    2. Depósito 1000 disparos láser (es decir, 1 '40'') y medir el valor de la masa depositada, a continuación, mueva el QCM distancia.
    3. Montar un substrato de Si como en 1.1.
    4. Depositar una muestra de ensayo (por ejemplo, 18.000 disparos de láser, es decir, 30 ') y el uso de las secciones transversales imágenes de SEM a calibrate la tasa de deposición (nm / pulso).

4. La deposición de películas nanoingeniería AZO

  1. Montar los sustratos preparados como en la sección 1 en el manipulador soporte de la muestra mediante el uso de cinta adhesiva.
  2. Siga los pasos 3.1.2 - 3.1.3.
  3. Inicie la rotación del sustrato.
  4. La deposición de películas compactas AZO
    1. Conectar la pistola de iones y la energía de iones en el conjunto 100 eV, la potencia RF en 75-100 W y flujo de gas Ar en 20 sccm (la presión está en el rango de 10 -2 Pa). Sustratos limpios con Ar + pistola de iones durante 5-10 minutos. Después de la entrada de gas de limpieza por tratamiento estrecha y bombear la cámara para retirar argón.
    2. Inserte gas oxígeno y ajustar la velocidad de bombeo y el flujo de gas a tener 2 Pa oxígeno.
    3. iniciar la ablación y depósito para 18.000 disparos (30 '). Durante el registro de ablación que la longitud de la pluma es el mismo que se determinó en el paso 3,2.
    4. detener la ablación, cerca gcomo entrada, bombee la cámara.
  5. La deposición de películas AZO jerárquicamente estructurados
    1. Inserte gas oxígeno y ajustar la velocidad de bombeo y el flujo de gas a tener 160 Pa oxígeno.
    2. iniciar la ablación y depósito para 18.000 disparos (30 '). Durante el registro de ablación que la longitud de la pluma es el mismo que se determinó en el paso 3,2.
    3. detener la ablación, cerca de la entrada de gas, evacue la cámara.
  6. Purgar la cámara y extraer muestras

5. Caracterización Eléctrica y Óptica

  1. Medir las propiedades de transporte en el plano utilizando cuatro sondas técnicas (es decir, Van der Pauw método). Ver la Figura 4 para un esquema de los contactos. Los valores típicos de la corriente de la sonda están en la μA 1 a 10 mA. Las mediciones se realizaron sobre un área de la muestra reducida a 0,7 cm x 0,7 cm para asegurar una mejor uniformidad de espesor (aproximadamente 5%).
  2. Mida la óptical transmitancia de la muestra y del sustrato desnudo. Corregir los espectros para la contribución sustrato estableciendo en 1 la intensidad en la interfase vidrio / película. Para un procedimiento de corrección precisa asegurarse de que la muestra se monta con el sustrato de cristal hacia el haz incidente. Determinar la transparencia de la luz visible mediante el cálculo de la transmitancia media en el intervalo de 400-700 nm. Utilice una esfera de diámetro 150 mm para medir la integración de la fracción de dispersión de la luz, el factor de Haze se puede calcular dividiendo la fracción dispersada por la luz total transmitida (es decir, dispersada y transmitida hacia adelante), ver Figura 5.

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Resultados

La deposición de AZO por PLD en atmósfera de oxígeno produce compactos películas transparentes conductoras a baja presión de gas de fondo (es decir, 2 Pa) y mesoporosos como bosques estructuras constituidas por agrupaciones jerárquicamente reunidos a altas presiones (es decir, 160 Pa). El material está constituido por los dominios nanocristalinos cuyo tamaño es máximo (30 nm) a 2 Pa 22.

Debido a las colisiones entre las especies de ablación y el gas de ...

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Discusión

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. ...

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Divulgaciones

No hay conflictos de interés declarado.

Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
Nombre del reactivo / material Empresa Número de Catálogo
Láser Pulsado Continuum-Quantronix Powerlite 8010
Medidor de potencia Coherente FieldMaxII-A
Ion Gun Mantis Dep RFMax60
Controlador de flujo de masa Mks 2179 °
Microbalanza de cristal de cuarzo Infcon XTC / 2
Antecedentes gas Rivoira-Praxair 5.0 oxígeno
Objetivo Kurt Lesker (Hecho a pedido)
Isopropanol Sigma Aldrich 190764-2L
Fuente metros Keithley K2400
Magnet Kit Ecopia 0.55T-Kit
Espectrofotómetro PerkinElmer Lambda 1050

Referencias

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  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).
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  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).
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