xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

`Εναπόθεση με Παλμικό Laser Λεπτών Υμενίων ZnO και Al:ZnO με Ελεγχόμενες
Ιδιότητες
Μ. Βάρδα 1* , Ε.Λ. Παπαδοπούλου 2,5 , Κ. Κουρούπης-Αγάλου 2 , G. Huyberechts 3 , E. Chikoidze 5 , Μ. Ανδρουλιδάκη 5
και Η. Απεραθίτης 5
1 Physics Department, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion, Crete, Greece
2 Materials Science & Technology Department, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion, Crete, Greece
3 Umicore Group Research & Development Kasteelstraat 7 B-2250 Olen Belgium
4 Groupe d'Etude de la Matière Condensée (GEMaC)-CNRS, 1 place Aristide Briand, 92195 Meudon, France
5 Institute of Electronic Structure & Laser, Foundation for Research and Technology –Hellas, P.O. Box 1527, Heraklion
71110, Crete, Greece
*mariavg7@gmail.com
Τα διαφανή αγώγιμα οξείδια (Transparent Conductive Oxides, TCOs) χρησιμοποιούνται ευρέως στις οπτοηλεκτρονικές
συσκευές επειδή παρουσιάζουν υψηλή διαπερατότητα στην ορατή περιοχή, χαμηλή αντίσταση, υψηλή ανακλαστικότητα
στην υπέρυθρη περιοχή και υψηλή απορροφητικότητα στην περιοχή των μικροκυμάτων. Στις μέρες μας, σχεδόν όλα τα TCO
υμένια που χρησιμοποιούνται είναι κατασκευασμένα από αξείδιο του Ινδίου νοθευμένα με κασσίτερο (indium tin oxide,
ITO), στοιχείο το οποίο τείνει να γίνει δυσεύρετο εξ αιτίας της αυξανόμενης έλλειψης του μεταλλικού συστατικού της, το
ίνδιο. Για την αντιμετώπιση της έλλειψης του ινδίου, μεγάλο ενδιαφέρον έχει παρουσιαστεί σε TCO υμένια τα οποία
βασίζονται στην νόθευση του οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO) με αλουμίνιο (Al). Σε σύγκριση με το ΙΤΟ, λεπτά υμένια
οξειδίου του ψευδαργύρου νοθευμένα με Al (ZnO:Al) παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα όπως υψηλή διαπερατότητα
στην περιοχή του ορατού, μικρή αντίσταση (η οποία πλησιάζει την αντίσταση του ΙΤΟ), μικρό κόστος, είναι άφθονο σε
πρώτη ύλη, μη-τοξικό, υψηλή σταθερότητα σε πλάσμα υδρογόνου και παρασκευάζεται εύκολα.
Η ηλεκτρική αντίσταση των λεπτών υμενίων ZnO τροποποιείται εύκολα με την εισαγωγή προσμίξεων. Συνήθως υμένια
ZnO νοθεύονται με In, Ga, Al κ.τ.λ. Όταν το ZnO νοθευτεί με Al (AZO) τότε το διαφανές αγώγιμο υμένιο που
παρασκευάζεται, παρουσιάζει την χαμηλότερη αντίσταση σε σχέση με άλλες προσμίξεις [1]. Για την ανάπτυξη λεπτών
υμενίων ΑΖΟ χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές όπως chemical vapor deposition (CVD) [2], sol–gel [3], spray pyrolysis
[4], magnetron sputtering [5] και εναπόθεση με φωτοαποδόμηση με παλμικό laser (Pulsed Laser Deposition, PLD) [6-9]. Σε
σύγκριση με άλλες τεχνικές, το PLD έχει πολλά πλεονεκτήματα όπως (i) η σύσταση των υμενίων που αναπτύσσονται είναι
παρόμοια με εκείνη του στόχου, (ii) η επιφάνεια των υμενίων είναι ομαλή, (iii) μπορούν να εναποτεθούν υμένια καλής
ποιότητας σε θερμοκρασία δωματίου εξ αιτίας της μεγάλης κινητικής ενέργειας των στοιχείων από τα οποία αποτελείται το
πλάσμα, το οποίο παράγεται από το laser.
Στην παρούσα έρευνα χρησιμοποιήθηκε στόχος ZnO και στόχος ΑΖΟ (98% ZnO με 2% Al 2 Ο 3 ) και παρασκευάστηκαν
λεπτά υμένια ZnO και ΑΖΟ , n-τύπου, με την τεχνική της φωτοαποδόμησης με παλμικό laser (PLD). Μελετήθηκε η
επίδραση της θερμοκρασίας του υποστρώματος και της πίεσης του οξυγόνου, κατά την εναπόθεση των λεπτών υμενίων, στις
οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητές τους. Σκοπός της έρευνας είναι η κατασκευή υμενίων ZnO και ΑΖΟ με ελεγχόμενες
ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες μέσω της ρύθμισης των παραμέτρων της εναπόθεσης.
Πιο συγκεκριμένα, η εναπόθεση των υμενίων ZnO και ΑΖΟ έγινε πάνω σε υποστρώματα fused silica, μέσω της
φωτοαποδόμησης ενός περιστρεφόμενου στόχου χρησιμοποιώντας ένα παλμικό laser. Οι στόχοι προέρχονται από την
εταιρία Umicore Ltd. Το laser που εστιάστηκε πάνω στο στόχο ήταν ένα KrF excimer laser (248nm, τ = 25ns). Κατά την
διάρκεια των πειραμάτων, ο ρυθμός ακτινοβόλησης του laser ήταν 10Hz και η πυκνότητα της ενέργειάς του πάνω στον
στόχο 1.5 J/cm 2 . Η απόσταση μεταξύ στόχου και υποστρώματος ήταν 40mm. Η φωτοαποδόμηση του στόχου έγινε για 5-7
λεπτά. Ο θάλαμος, μέσα στον οποίο έγινε η εναπόθεση, αρχικά, εκκενώθηκε σε πίεση μικρότερη των 4x10 -6 mbar και κατά
την διάρκεια της εναπόθεσης εισήχθει οξυγόνο πίεσης 5x10 -4 έως 1x10 -3 mbar. Η θερμοκρασία του υποστρώματος
κυμάνθηκε από 200 έως 500 ο C. Το πάχος των υμενίων μετρήθηκε με προφιλόμετρο και ήταν μεταξύ 100 και 300 nm.
Ο καθορισμός της κρυσταλλικής δομής έγινε με περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD). Στα XRD φάσματα όλων των δειγμάτων,
κυριαρχεί η ανάκλαση του επίπεδου (002) που εμφανίζεται στις 2θ~34.3 ο (JCDPS 36-1451) υποδηλώνοντας ισχυρή
ανάπτυξη του εξαγωνικού βουρτζίτη ZnO με τον c-άξονα κάθετο στο υπόστρωμα.
Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται η αντίσταση και η συγκέντρωση των φορέων των υμενίων ZnO συναρτήσει της μεταβολής
της πίεσης του οξυγόνου με θερμοκρασία εναπόθεσης 300 ο C. Καθώς η πίεση του οξυγόνου αυξάνεται, η ειδική αντίσταση
των υμενίων μειώνεται, ενώ η συγκέντρωση των φορέων αυξάνεται. Τα φάσματα της διαπερατότητας των ZnO υμενίων δεν
παρουσίασαν μεγάλες αλλαγές με την μεταβολή της πίεσης του οξυγόνου και είχαν όλα διαπερατότητα 70-80% στην ορατή
περιοχή του φάσματος.
Τα ΑΖΟ υμένια έδειξαν μεγάλη συγκέτρωση φορέων, μικρή αντίσταση και μεγάλη διαπερατότητα στην ορατή περιοχή
του φάσματος. Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται ένα τυπικό φάσμα διαπερατότητας και ανακλαστικότητας δύο υμενίων ΑΖΟ που
κατασκευάστηκαν σε θερμοκρασία υποστρώματοσς 200 και 500 ο C με σταθερή πίεση οξυγόνου 5x10 -4 mbar. Όλα τα ΑΖΟ
υμένια παρουσίασαν αυξημένη ανάκλαση την IR περιοχή, ένδειξη η οποία φανερώνει δείγματα με μεγάλη συγκέντρωση
φορέων. Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η αντίσταση και η συγκέντρωση των φορέων των υμενίων ΑZΟ συναρτήσει της
μεταβολής της θερμοκρασίας του υποστρώματος υπό σταθερή πίεση οξυγόνου 5x10 -4 mbar. Από το σχήμα φαίνεται ότι η
αντίσταση των ΑΖΟ υμενίων αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του υποστρώματος, ενώ η συγκέντρωση των
φορέων μειώνεται.
45