Manufaturação industrial
Internet das coisas industrial | Materiais industriais | Manutenção e reparo de equipamentos | Programação industrial |
home  MfgRobots >> Manufaturação industrial >  >> Industrial materials >> Nanomateriais

Efeitos da Espessura de Bicamada nas Propriedades Morfológicas, Óticas e Elétricas de Nanolaminados de Al2O3 / ZnO

Resumo


Este relatório se concentra principalmente na investigação das propriedades morfológicas, ópticas e elétricas do Al 2 O 3 / Nanolaminatos de ZnO regulados por várias espessuras de bicamada. O mecanismo de crescimento de nanolaminatos baseado na deposição da camada atômica e penetração de Al na camada de ZnO é proposto. A rugosidade da superfície de Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos podem ser controlados devido ao efeito suave do Al 2 interposto O 3 camadas. A espessura, constantes ópticas e informações de bandgap de nanolaminatos foram investigadas por medição de elipsometria espectroscópica. O band gap e a borda de absorção apresentam um deslocamento para o azul com diminuição da espessura da bicamada por conta do efeito Burstein-Moss, do efeito de confinamento quântico e da evolução característica dos nanolaminatos. Além disso, as concentrações de portadores e resistividades foram consideradas modificadas consideravelmente entre as várias espessuras de bicamada. As modulações dessas propriedades são vitais para Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos para serem usados ​​como condutor transparente e camada de alta resistência em aplicações optoeletrônicas.

Histórico


O nanolaminado é uma estrutura composta formada por diferentes sequências de empilhamento de diversos materiais, e a espessura da camada é geral em escala nanométrica [1,2,3,4]. Esta estrutura de múltiplas camadas pode dotar o nanolaminado com propriedades únicas, e essas propriedades dependem ou podem ser melhores do que aquelas dos materiais constituintes [5,6,7]. Nos últimos anos, um novo tipo de material baseado na estrutura do nanolaminado começou a ser utilizado para dispositivos de armazenamento de energia [8], elementos ópticos inovadores [9] e substratos sensíveis à temperatura para biossensores [10]. Recentemente, Viter et al. explorado no ajuste de propriedades estruturais e no aprimoramento de propriedades eletrônicas e ópticas de 1D PAN (poliacrilonitrila) ZnO / Al 2 O 3 nanolaminatos que permitirão aplicações em diferentes campos como sensores e biossensores [11]. Baitimirova et al. também investigou o ajuste de propriedades estruturais e ópticas de nanolaminatos de grafeno / ZnO que podem encontrar aplicações em sensores ópticos, bio e químicos [12].

Como um dos candidatos mais promissores para materiais de óxido condutor transparente (TCO), o filme de ZnO dopado com Al (AZO) tem muitas vantagens, como recursos abundantes, baixo custo, não toxicidade e boa estabilidade em plasma de hidrogênio. Em investigações gerais, controlar o nível de dopagem de Al é um método comum para melhorar e modificar os comportamentos ópticos e elétricos de materiais AZO [13, 14], o que é crucial para alcançar a funcionalização e sintonia de dispositivos baseados em TCO [15, 16]. No entanto, poucos relatórios envolvem a modulação de desempenho de AZO, alterando as estruturas de Al 2 O 3 / ZnO nanolaminates que são mais simples e eficazes no processo de fabricação de semicondutores.

A técnica de deposição de camada atômica (ALD) é adequada para a fabricação de estruturas nanolaminadas para diferentes fins e aplicações [17,18,19]. Esta técnica é baseada em reações químicas de superfície autolimitadas com excelente efeito de deposição, o que pode fazer com que as espessuras de nanocamadas individuais sejam bem controladas para a pilha de compósito. Além disso, entre diferentes subcamadas, boa nucleação e adesão podem ser realizadas projetando as reações de superfície. Portanto, nanolaminatos de alta qualidade com superfície uniforme e lisa podem ser realizados pela técnica ALD, e a espessura também pode ser controlada com precisão.

Neste trabalho, Al 2 O 3 e materiais ZnO foram adotados para realizar as estruturas nanolaminadas a fim de investigar as características ajustáveis ​​de AZO, alterando a espessura da bicamada de Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos. Investigamos suas propriedades morfológicas, ópticas e elétricas. O mecanismo de crescimento dos nanolaminatos e a penetração do Al na camada de ZnO são propostos e discutidos. Com bicamada decrescente Al 2 O 3 / Espessura de ZnO nos nanolaminatos, o desvio para o azul do bandgap é observado e discutido com base no efeito Burstein-Moss (BM), o efeito de confinamento quântico e a evolução característica dos nanolaminados. As propriedades elétricas ajustáveis ​​são expostas usando um sistema de medição baseado no efeito Hall. Ele fornece referências e idéias valiosas de que o condutor transparente e a camada de alta resistência podem ser obtidos variando-se a espessura da bicamada nos nanolaminados.

Métodos

Síntese de nanolaminatos por ALD


Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos baseados em Al 2 O 3 -ZnO duas camadas foram depositadas em SiO 2 / Substratos de Si e quartzo pela técnica ALD. Durante o procedimento de deposição, a temperatura do reator (PICOSUN) era de 150 ° C. Os precursores de Zn, Al e O foram dietilzinco [DEZ; Zn (C 2 H 5 ) 2 ], trimetilalumínio [TMA; Al (CH 3 ) 3 ], e água desionizada (H 2 O), respectivamente. O transportador precursor e o gás de purga era o nitrogênio de alta pureza (N 2 , taxa de fluxo 50 sccm). Era usado para transportar precursores para a câmara e trazer os produtos desnecessários para fora da câmara.

Para fazer crescer o Al 2 O 3 camadas, o TMA e H 2 O foram alternativamente trazidos para a câmara do reator através do TMA-H 2 Ciclos O (TMA / exposição / N 2 / H 2 O / exposição / N 2 ) com tempo de pulso de 0,03 / 3/15 / 0,03 / 5/15 s. As reações de superfície de ALD Al 2 O 3 camadas podem ser definidas por duas reações autolimitantes como segue [20]:
$$ {\ mathrm {AlOH}} ^ {\ ast} + \ kern0.5em \ mathrm {Al} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 3 \ to \ mathrm {AlOAl} {{ \ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {CH}} _ 4 $$ (1) $$ A \ mathrm {lOAl} {{ \ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to A {\ mathrm {lOAlOH}} ^ {\ kern0.5em \ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {CH}} _ 4 $$ (2)
onde os asteriscos indicam as espécies da superfície. Quanto às camadas ZnO, DEZ-H 2 Os ciclos de ZnO eram iguais aos do TMA-H 2 O. As reações de superfície das camadas ALD ZnO são dadas por [20]
$$ {\ mathrm {ZnOH}} ^ {\ kern0.5em \ ast} + \ kern0.5em \ mathrm {Zn} {\ left ({\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ right )} _ 2 \ a {\ mathrm {ZnOZnC}} _ ​​2 {{\ mathrm {H}} _ 5} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}} _ 6 $ $ (3) $$ {\ mathrm {ZnOZnC}} _ ​​2 {{\ mathrm {H}} _ 5} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to { \ mathrm {ZnOZnOH}} ^ {\ ast} + \ kern0.5em {\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}} _ 6 $$ (4)
onde os asteriscos também indicam as espécies da superfície. O diagrama de estrutura de ALD Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos são mostrados na Fig. 1. Para todos os nanolaminatos, a interface com o substrato era Al 2 O 3 , enquanto o ZnO era a camada superior na superfície dos nanolaminatos. A bicamada é construída por duas camadas individuais, ou seja, Al 2 O 3 e ZnO, com a mesma espessura. Para garantir as mesmas espessuras dos nanolaminados totais, o número da bicamada foi aumentado com a diminuição da espessura da bicamada. Assim, foram preparados cinco tipos de amostras, denominadas 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm), 10 (5/5 nm), 25 (2/2 nm) e 50 (1/1 nm) . Os detalhes podem ser encontrados na Tabela 1. Observe que os parâmetros na Tabela 1 são os valores empíricos, que são resumidos de nossos experimentos preliminares.

O diagrama de estrutura do Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos

Caracterização


A caracterização morfológica de Al 2 O 3 Os nanolaminatos de / ZnO foram realizados por microscópio eletrônico de transmissão (TEM; FEI Tecnai G2 F20) e microscopia de força atômica (AFM; Bruker Dimension Icon VT-1000, Santa Bárbara, CA). A espessura, constantes ópticas e informações de bandgap foram determinadas por medições de elipsometria espectroscópica (SE; J.A. Woollam, Inc., M2000X-FB-300XTF) na faixa de comprimento de onda de 200-1000 nm sob um ângulo incidente de 65 °. A transmitância óptica de nanolaminatos também foi estudada na faixa de comprimento de onda de 200-1000 nm usando um espectrofotômetro de feixe duplo (Shimadzu UV-3600). Um sistema de medição de efeito Hall (Ecopia HMS3000) foi usado para obter as propriedades elétricas das amostras com uma sonda de quatro pontos.

Resultados e discussão

Características morfológicas


Nanolaminatos com diferentes espessuras de bicamada crescidos em SiO 2 / Si substratos foram medidos em seções transversais com TEM. Três exemplos ilustrativos de nanolaminatos com uma espessura de bicamada de 50, 10 e 2 nm são mostrados na Fig. 2, incluindo as imagens de alta ampliação de amostras de 50 e 10 nm. Limites claros podem ser observados entre Al 2 O 3 e camadas de ZnO, e a espessura dos nanolaminatos totais é indicada. Com a ajuda de medições de difração de raios-X (Bruker D8 ADVANCE) com antecedência (não fornecidas aqui), não encontramos picos característicos de Al 2 O 3 e ZnO e, portanto, que todos os nanolaminatos crescidos têm um estado amorfo. Esta afirmação pode ser verificada pelas imagens TEM de alta ampliação. Mesmo que Al 2 O 3 As amostras de / ZnO 2 (25/25 nm) possuem a bicamada mais espessa neste trabalho, o processo de cristalização nelas não existe.

Imagens TEM de Al 2 O 3 / Nanolaminatos de ZnO com diferentes espessuras de bicamada: a 50 nm, b 10 nm e c 2 nm. E imagens de alta ampliação: d 50 nm e e 10 nm

Conforme relatado em outro lugar [6, 21], o Al 2 O 3 camada em Al 2 O 3 / Os nanolaminatos de ZnO preparados pelo método ALD estão sempre em fase amorfa e podem bloquear o crescimento do cristal de ZnO porque o ZnO é forçado a renuclear no Al 2 O 3 superfície. O processo de cristalização de camadas ultrafinas é muito complexo, e muitos fatores devem ser levados em consideração, como as energias da interface, a espessura das camadas, o ponto de fusão do sistema e a temperatura de cristalização amorfa em massa [6, 22]. Viter et al. descobriu que Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos com espessura de bicamada de 20 nm (relação 1:1) têm natureza amorfa e atribuíram esse resultado à espessura mínima necessária para permitir a cristalização [22]. López et al. encontraram um fenômeno semelhante e pensaram que o pulso, bem como a duração da purga do procedimento de crescimento, eram muito curtos para dar aos seus filmes tempo suficiente para gerar alguma ordenação e algumas fases cristalinas [23]. Enquanto isso, o raio de Bohr do ZnO em massa é 23 Å [4]. Al 2 O 3 / ZnO 25 (2/2 nm) e Al 2 O 3 / ZnO 50 (1/1 nm) nanolaminatos têm espessuras de ZnO menores do que o raio de Bohr; portanto, o efeito de confinamento quântico deve ser levado em consideração. Especialmente para as subcamadas semicondutoras de ZnO, acredita-se que este efeito pode causar mudança dramática no comportamento dielétrico [21], e discutiremos isso no conteúdo a seguir.

Para investigar as morfologias de superfície dos nanolaminatos, a medição AFM é aplicada para as amostras depositadas em SiO 2 / Si substratos, e os resultados 3D são mostrados na Fig. 3. Pode-se observar que as feições em forma de colina são dominadas na superfície da amostra e a altura da superfície diminui com a menor espessura da bicamada. Amostras com baixa espessura de bicamada, ou seja, Al 2 O 3 / ZnO 25 (2/2 nm) e Al 2 O 3 / ZnO 50 (1/1 nm), mostra superfície lisa com rugosidade superficial insignificante. A rugosidade da raiz quadrada média R q de cada nanolaminado é estimado a partir de dados AFM e varia aproximadamente de 0,81 a 1,30 nm. Além disso, a relação entre a espessura da bicamada e R q é revelado na Fig. 4. A princípio, os valores de R q apresentam comportamento linear vs. aumento da espessura da bicamada, então permanece estável quando a espessura da bicamada aumenta para um determinado valor, como é o caso de outros estudos [23, 24]. O Al 2 O 3 neste trabalho está em fase amorfa sob a condição de crescimento acima, o que também foi comprovado em nosso relatório anterior [25]. O amorfo Al 2 O 3 camada é muito lisa e está em conformidade com a topografia das camadas subjacentes de ZnO [26]. Conforme mencionado acima, devido ao Al 2 interposto O 3 camada, o crescimento do cristal de ZnO é conseqüentemente interrompido. Ao restringir o tamanho dos nanocristais de ZnO, o Al 2 interposto O 3 camadas evitam o Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos de rugosidade [24]. Foi comprovado que esse efeito suave tem pouco a ver com o Al 2 O 3 espessura da camada e se refere apenas ao número de Al 2 interposto O 3 camadas [24]. Portanto, com a diminuição da espessura da bicamada, mais Al 2 O 3 camadas foram interpostas nos nanolaminatos para suavizar a rugosidade, o que torna os nanolaminatos mais lisos. Quando a espessura da bicamada aumenta para um determinado valor, esse efeito de suavização não é mais óbvio.

Imagens 3D AFM de nanolaminados com diferentes espessuras de bicamada: a 2 (25/25 nm), b 5 (10/10 nm), c 10 (5/5 nm), d 25 (2/2 nm) e e 50 (1/1 nm)

Rugosidade da superfície de nanolaminatos com diferentes espessuras de bicamada

Propriedades ópticas


Ao realizar a medição SE [17, 27, 28] que é baseada no registro e cálculo da mudança de uma luz polarizada linearmente refletida da superfície das amostras, as constantes ópticas e a espessura do filme de nanolaminatos podem ser deduzidas dos dados brutos. A fim de obter detalhes mais precisos, os nanolaminatos cultivados em SiO 2 Substratos / Si são escolhidos como o objeto de teste por causa de sua opacidade à luz durante as medições SE. Após a aquisição de dados brutos, um modelo de multicamadas é construído contendo substrato de Si semi-infinito, SiO 2 camada, e camada AZO, como revelado na Fig. 5. Os nanolaminatos, ou seja, a camada AZO no modelo, são considerados como um todo para ser ajustado. A camada de oxidação do substrato de Si é de cerca de 330 nm, que é substituída diretamente no modelo sem ajuste. Além disso, nenhuma aproximação de mídia eficaz de Bruggeman é introduzida neste modelo óptico por causa das rugosidades de superfície ignoráveis ​​de amostras com base nos resultados de AFM. Por conta deste modelo óptico, o modelo de dispersão Forouhi-Bloomer (FB) é usado para ajustar os espectros de elipsometria ( Ψ e Δ na faixa de 200-1000 nm) dos nanolaminatos [29, 30]. A espessura final e as propriedades ópticas são ajustadas e avaliadas para minimizar o erro quadrático médio (RMSE) que se segue:
$$ \ mathrm {RMSE} =\ sqrt {\ frac {1} {2N-M-1} {\ sum} _ {i =1} ^ N \ left [{\ left ({\ psi} _i ^ {\ mathrm {cal}} - {\ psi} _i ^ {\ mathrm {exp}} \ right)} ^ 2 + {\ left ({\ varDelta} _i ^ {\ mathrm {cal}} - {\ varDelta} _i ^ {\ mathrm {exp}} \ right)} ^ 2 \ right]} $$ (5)
Modelo óptico de amostras cultivadas em SiO 2 / Si substrato para análise SE

Aqui, N , M , exp e cal representam o número de pontos de dados no espectro, o número de parâmetros variáveis ​​no modelo, os dados experimentais e os dados calculados, respectivamente.

As espessuras ajustadas de nanolaminatos são mostradas na Tabela 2. Elas estão muito próximas dos valores obtidos nas medições de TEM, indicando a precisão do processo de adaptação. O erro de ajuste RMSE também é revelado na Tabela 2, e o valor está dentro do permitido, demonstrando a confiabilidade dos resultados de ajuste. As espessuras da amostra 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) e 10 (5/5 nm) mostram uma tendência suave e a pequena flutuação resulta de vários graus de reações químicas de superfície ALD. Em contraste, as espessuras da amostra 25 (2/2 nm) e 50 (1/1 nm) diminuem obviamente com a diminuição da espessura da bicamada. Conclui-se que o Al 2 O 3 Os nanolaminados de / ZnO apresentam espessuras diferentes com espessura de bicamada baixa, mesmo que o número do ciclo permaneça o mesmo no processo de deposição. A Tabela 3 resume as taxas de crescimento de Al 2 O 3 e subcamadas de ZnO (proporção de espessura 1:1) usando as espessuras listadas na Tabela 2. Os valores aumentam no início e saturam finalmente quando os ciclos nas subcamadas aumentam. A variação na espessura do filme e na taxa de crescimento pode resultar da reação interfacial entre Al 2 O 3 e camadas de ZnO que serão introduzidas no conteúdo a seguir, e as amostras com espessura de bicamada mais baixa serão mais afetadas. Karvonen et al. deram uma explicação semelhante e atribuíram a variação na taxa de crescimento ao ataque TMA de ZnO durante o Al 2 O 3 crescimento [7]. Elam et al. descobriram que as taxas de crescimento de Al 2 O 3 e o ZnO aumenta com o número de ciclos ALD [24]. Eles concluíram que a taxa de crescimento reduzida dos ciclos iniciais de ALD pode resultar do processo de nucleação que ocorre ao fazer a transição de Al 2 O 3 para ZnO e de ZnO para Al 2 O 3 . Somente quando novos cristais são formados, a taxa de crescimento atinge o valor de estado estacionário.

As constantes ópticas de Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos são ilustrados na Fig. 6. Ele mostra vários índices de refração n e coeficiente de extinção k com diferentes espessuras de bicamada. A Figura 6a descreve os espectros de dispersão do índice de refração dos nanolaminados com diferentes espessuras de bicamada. Os valores de n diminuem gradativamente com o declínio da espessura da bicamada na faixa de 50 a 2 nm devido à mudança de crescimento e à penetração do Al [21, 31]. O n ( λ ) característica de ZnO pode ser observada para nanolaminados com espessuras de bicamada de 50, 20 e 10 nm. E esta forma de linha degenera lentamente e desaparece quando a espessura da bicamada está abaixo de 4 nm. Consequentemente, o n ( λ ) características tendem a se comportar como Al 2 O 3 como a amostra 50 (1/1 nm) mostrada. O k os espectros de dispersão podem ser encontrados na Fig. 6b. Curvas diferentes representam amostras diferentes com várias espessuras de bicamada. Na região de 430-1000 nm, os coeficientes de extinção são aproximadamente iguais a 0, ou seja, os nanolaminatos são quase transparentes nessa região de comprimento de onda. Enquanto isso, um deslocamento para o azul ocorre na borda de absorção com a diminuição da espessura da bicamada. A distância de deslocamento da amostra 25 (2/2 nm) e 50 (1/1 nm) é maior, então a borda de absorção se move gradualmente para fora da região espectral e apresenta as características de Al 2 O 3 . Como um todo, as características das constantes ópticas são transferidas de ZnO para Al 2 O 3 . As mudanças observadas de n e k poderia ser determinado por dois fenômenos físicos. Por outro lado, eles são afetados pelo efeito de confinamento quântico. Podemos ver que as amostras 25 (2/2 nm) e 50 (1/1 nm) têm espessuras de subcamada menores do que o raio de Bohr do ZnO bruto, então seus comportamentos dielétricos mudam mais dramaticamente do que as outras amostras. Por outro lado, é baseado no mecanismo de crescimento que leva à penetração do Al nas camadas de ZnO [22, 24]. De acordo com o mecanismo de crescimento, a reação de substituição de Zn por Al pode ocorrer na interface entre ZnO e Al 2 O 3 camadas:
$$ \ mathrm {Zn} \ hbox {-} {\ mathrm {OH}} ^ S + \ kern0.5em \ mathrm {Al} {{\ left ({\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}} _5 \ right)} _ 3} ^ g \ uparrow \ to \ mathrm {AlOH} \ hbox {-} {\ mathrm {C}} _ ​​2 {{\ mathrm {H}} _ 5} ^ s + \ kern0.5em \ mathrm { Zn} {{\ left ({\ mathrm {C}} _ ​​2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ right)} _ 2} ^ g \ uparrow $$ (6)
onde ZnO-OH e Al (C 2 H 5 ) 3 são a substância na superfície e na fase gasosa, correspondentemente. Por causa dessa reação interfacial, pode ocorrer dopagem de Al em camadas de ZnO e a proporção de ZnO em nanolaminatos pode ser reduzida. Portanto, com a diminuição da espessura da bicamada, a interface entre ZnO e Al 2 O 3 camadas aumenta, e a proporção de ZnO nos nanolaminatos diminui em conformidade. Isso pode ser verificado pelas imagens TEM de alta ampliação mostradas na Fig. 2d, e. Quando a espessura da bicamada diminui, os limites entre Al 2 O 3 e as camadas ZnO tornam-se mais largas e desfocadas. Faz a característica de transferência de nanolaminatos inteiros para Al 2 O 3 .

As constantes ópticas de nanolaminatos cultivados em SiO 2 Substrato / Si. a O índice de refração n . b O coeficiente de extinção k

Para melhor compreensão do desvio para o azul da borda de absorção, a extrapolação de Tauc é aplicada para avaliar a informação do bandgap dos nanolaminados com uma espessura de bicamada de 50, 20 e 10 nm. Para avaliar as energias do bandgap, foram utilizados coeficientes de extinção dos nanolaminatos. Os coeficientes de extinção, energia do bandgap e absorção estão associados de acordo com as seguintes fórmulas [32]:
$$ {\ left (\ alpha h \ upsilon \ right)} ^ 2 =A \ left (E- {E} _g \ right) $$ (7) $$ \ alpha =\ frac {4 k \ pi} { \ lambda} $$ (8)
onde α é o coeficiente de absorção óptica, A é uma constante, e E g é a energia do bandgap óptico. Com base nas Eqs. (7) e (8), um gráfico de ( αhν ) 2 x foi feito conforme demonstrado na Fig. 7. O valor da energia do bandgap E g pode ser determinado graficamente por x eixo e o ajuste linear na parte linear da borda de absorção, que é fornecida na figura inserida da Fig. 7. A informação do bandgap das amostras 25 (2/2 nm) e 50 (1/1 nm) não é revelada na Fig. 7, porque a parte linear da borda de absorção excede a faixa espectral desenvolvida a partir dos espectros do coeficiente de extinção, o que pode levar a resultados imprecisos. Pela Fig. 7, pode-se observar que a energia do bandgap do nanolaminado apresenta uma tendência crescente com a diminuição da espessura da bicamada, o que pode ser interpretado pelo efeito BM [33,34,35]. Al interposto 3+ toma o lugar de Zn 2+ na interface de Al 2 O 3 / ZnO camadas e fornece um elétron extra. Assim, nos nanolaminados, a concentração de portadores livres aumenta, fazendo com que a energia do bandgap se mova para a região de maior energia. A seguinte equação pode descrever esse efeito exatamente [35]:
$$ {E} _g ={E} _g ^ 0 + \ varDelta {E} _g ^ {\ mathrm {BM}} ={E} _g ^ 0 + \ frac {h ^ 2} {8 {m} _e ^ {\ ast}} {\ left (\ frac {3} {\ pi} \ right)} ^ {2/3} {n} _e ^ {2/3} $$ (9)
onde Δ E g BM e E g 0 representam o incremento do bandgap causado pelo efeito BM e largura de banda proibida intrínseca, enquanto h , m e * e n e são a massa de elétrons efetiva e constante de Plank na banda de condução e a densidade de portadores de elétrons, respectivamente.

Bandgap óptico avaliado de nanolaminados com diferentes espessuras de bicamada

A Figura 8 fornece os espectros de transmitância e absorbância de todo o grupo. Pode-se verificar que as bordas de absorção agudas estão localizadas na região de 200 a 400 nm, ou seja, na região do ultravioleta. É importante ressaltar que as bordas de absorção se movem para o comprimento de onda mais curto (desvio para o azul) com a diminuição da espessura da bicamada, e essa tendência é exatamente próxima aos resultados anteriores calculados a partir da medição SE. Este deslocamento para o azul é devido ao efeito BM que faz o aumento do bandgap. Porém, o desvio para o azul não é sucessional, pois nos nanolaminados de 25 (2/2 nm) e 50 (1/1 nm), o efeito de confinamento quântico torna-se dominante, e a reação interfacial se intensifica fazendo com que os nanolaminados apresentem as características de Al 2 O 3 gradualmente. Neste ponto, o deslocamento para o azul é a contribuição total do efeito BM, o efeito de confinamento quântico e a evolução característica dos nanolaminatos. Ou seja, esses três fatores causam a enorme mudança na borda de absorção. Como um todo, a borda de absorção pode ser modulada pela espessura da bicamada na região ultravioleta (200-400 nm). De acordo com isso, pode ser aplicado como detector de ultravioleta. Além disso, todos os Al 2 O 3 / ZnO nanolaminates mostram uma transmitância acima de 90% na região visível e infravermelho próximo, junto com uma borda de banda de absorção nítida. A transmitância aqui mostra valor e tendência quase semelhantes aos de muitos outros materiais TCO [36], o que torna possível ser aplicado como material TCO.

a Transmitância e b espectros de absorbância de nanolaminatos cultivados em substratos de quartzo com diferentes espessuras de bicamada

Propriedades elétricas


A medição do efeito Hall é conduzida para correlacionar as análises com as propriedades elétricas do Al 2 O 3 / ZnO nanolaminatos. Os nanolaminatos preparados em substratos de quartzo são selecionados como as amostras de teste para remover a distribuição de resistividade espacial e a Fig. 9 exibe os resultados do teste. No início, a concentração do portador e a resistividade mostram pouca mudança e permanecem em torno de 10 19 cm −3 e 10 −2 Ω cm, respectivamente. Com a diminuição da espessura da bicamada, a concentração do portador cai drasticamente e a resistividade também aumenta. Pode ser interpretado pela reação interfacial de Al 2 O 3 / Camadas de ZnO que resultam na evolução característica de nanolaminatos. Os nanolaminatos mostram características de isolamento de Al 2 O 3 gradualmente e perceber a sintonia da resistividade, alterando sua espessura de bicamada. Além disso, os valores da concentração de transportador de nanolaminatos 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) e 10 (5/5 nm) são 4,99 × 10 19 , 5,26 × 10 19 e 8,91 × 10 19 cm −3 , respectivamente. Mostra um crescimento lento de acordo com a explicação dos resultados do bandgap, e os valores aproximadamente iguais aos dos materiais TCO dos resultados de outros relatórios [25, 37]. Portanto, esses três tipos de nanolaminatos possuem não apenas condutividade elétrica favorável, mas também excelente transmitância de luz na região do visível e do infravermelho próximo. É vital para Al 2 O 3 / ZnO nanolaminates para desempenhar um papel no campo do condutor transparente. As amostras 25 (2/2 nm) e 50 (1/1 nm) apresentam característica de isolamento e percebem a sintonia da resistividade, que pode ser aplicada como camada de alta resistividade em dispositivos semicondutores.

Concentração de transportador e resistividade de nanolaminatos cultivados em substrato de quartzo com diferentes espessuras de bicamada

Conclusões


Investigamos as propriedades morfológicas, ópticas e elétricas do Al 2 O 3 / ZnO nanolaminates entre várias espessuras de bicamada variando de 2 a 50 nm. Os limites claros da camada e a baixa rugosidade da superfície mostram morfologias de alta qualidade de nanolaminatos preparados pelo método ALD. Com a diminuição da espessura da bicamada, inserido Al 2 O 3 camadas em nanolaminatos começam a limitar a rugosidade, o que torna os nanolaminatos mais lisos. Quando a espessura da bicamada atinge um determinado valor, esta limitação de rugosidade pode ser ignorada. A espessura, as constantes ópticas e as informações de bandgap dos nanolaminatos foram extraídas da análise SE. Com a diminuição da espessura da bicamada, a borda de absorção do coeficiente de extinção apresenta um deslocamento para o azul e as energias do band gap óptico apresentam uma tendência crescente, pois o efeito BM, o efeito de confinamento quântico e a evolução característica dos nanolaminados têm influência significativa sobre eles. Este deslocamento para o azul também ocorre nos espectros de transmissão e absorbância com alta transmitância além de 90% na região do visível e infravermelho próximo. Além disso, ao variar a espessura da bicamada, as propriedades elétricas também mostram dois tipos de características, e a modulação das características é realizada. Os nanolaminatos 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) e 10 (5/5 nm) mostram alta concentração de transportadores acima de 10 19 cm −3 , que pode ser aplicado como material condutor transparente. E também, os nanolaminatos 25 (2/2 nm) e 50 (1/1 nm) possuindo alta resistividade podem ser usados ​​como camada de alta resistividade no processo de fabricação de semicondutores.

Abreviações

AFM:

Força atômica microscópica
ALD:

Deposição de camada atômica
AZO:

ZnO dopado com Al
BM:

Burstein-Moss
DEZ:

Dietilzinco
FB:

Forouhi-Bloomer
RMSE:

Erro quadrático médio
SE:

Elipsometria espectroscópica
TCO:

Óxido condutor transparente
TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão
TMA:

Trimetilalumínio

Nanomateriais

  1. Modulação das propriedades de anisotropia eletrônica e óptica de ML-GaS por campo elétrico vertical
  2. Síntese fácil e propriedades ópticas de pequenos nanocristais de selênio e nanorods
  3. Características ópticas e elétricas de nanofios de silício preparados por corrosão eletrolítica
  4. Efeito da distribuição de nanopartículas de ouro em TiO2 nas características ópticas e elétricas de células solares sensibilizadas por corante
  5. Propriedades de formação e luminescência de Al2O3:Nanocompósitos de SiOC na base de nanopartículas de alumina modificados por feniltrimetoxisilano
  6. Influência da Água na Estrutura e Propriedades Dielétricas da Microcristalina e Nano-Celulose
  7. Ajustando as morfologias de superfície e propriedades dos filmes ZnO pelo projeto da camada interfacial
  8. Os efeitos de acoplamento de polaritons de plasma de superfície e ressonâncias de dipolo magnético em metamateriais
  9. Sondando as propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas dos aglomerados Ag n V (n =1–12)
  10. Fabricação e caracterização de Nano-Clips de ZnO pelo processo mediado por poliol