Влияние исходных нанослоев цинка, получаемых методом магнетронного напыления, на свойства синтезируемых на их основе термическим окислением тонких пленок оксида цинка

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Изучены морфология, особенности структуры и оптические свойства пленок оксида цинка различной толщины, синтезированных посредством термического окисления в атмосфере воздуха поликристаллических слоев цинка толщиной 10, 20, 40, 50, 60, 80 нм, полученных методом магнетронного напыления на стеклянных подложках. Проанализировано влияние толщины исходных слоев и размеров кристаллов цинка на характеристики кристаллической структуры и свойства получаемых пленок оксида цинка, а также закономерности приближения его оптической ширины запрещенной зоны и параметров кристаллической решетки к значениям для объемных кристаллов ZnO с увеличением толщины пленки.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. В. Томаев

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет); Санкт-Петербургский государственный университет, Институт химии

Author for correspondence.
Email: tvaza@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

В. А. Полищук

Государственный университет морского и речного флота им. адм. С. О. Макарова

Email: tvaza@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Н. Б. Леонов

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: tvaza@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  1. Ellmer K., Klein A., Rech B. Transparent Conductive Zinc Oxide (Springer Series in materials science 104). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008.
  2. Parihar V., Raja M., Paulose R. A brief review of structural, electrical and electrochemical properties of zinc oxide nanoparticles. Rev. Adv. Mater. Sci. 2018. Vol. 53. P. 119–130.
  3. Janotti A., Van de Walle C.G. Fundamentals of zinc oxide as a semiconductor. Rep. Prog. Phys., 2009. Vol. 72, 126501 (29 p).
  4. Kulkarni S.S., Shirsat, M.D. Optical and Structural Properties of Zinc Oxide Nanoparticles. International Journal of Advanced Research in Physical Science (IJARPS), 2015. Vol. 2. Iss. 1. P. 14–18.
  5. Nenavathu B.P., Sharma A., Dutta R.K. Se doped ZnO nanoparticles with improved catalytic activity in degradation of Cholesterol. J. Water Environ. Nanotechnol. 2018. Vol. 3(4). P. 289–300.
  6. Özgür Ü., Alivov Ya.I., Liu C., Teke A., Reshchikov M.A., Doğan S., Avrutin V., Cho S.-J., Morkoç H. A comprehensive review of ZnO materials and devices. Journal of Applied Physics. 2005. Vol. 98, 041301.
  7. Morkoç H., Özgür Ü. Zinc Oxide: Fundamentals, Materials and Device Technology. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2009.
  8. Rahman F. Zinc oxide light-emitting diodes: a review. Optical Engineering, 2019. Vol. 58(1), 010901.
  9. Guan N., Dai X., Babichev A.V., Julien F.H., Tchernycheva M. Flexible inorganic light emitting diodes based on semiconductor nanowires. Chem. Sci. 2017. Vol. 8. P. 7904–7911.
  10. Meyer B.K., Alves H., Hofmann D.M., Kriegseis W., Forster D., Bertram F., Christen J., Hoffmann A., Straßburg M., Dworzak M., Haboeck U., Rodina A.V. Bound exciton and donor–acceptor pair recombinations in Zn O. Physica status solidi (b). 2004. Vol. 241. № 2. P. 231–260.
  11. Родный П.А., Черненко К.А., Веневцев И.Д. Механизмы люминесценции ZnO в видимой области спектра. Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125. № 3. С. 357–363.
  12. Rashmi R.K., Deepak P., Saurabh K.P. A Short Note on Zno Based Optoelectronics Devices, Research & Development in Material Science. 2018. Vol. 3. Iss. 3. P. 265–267.
  13. Guan N., Dai X., Babichev A.V., Julien F.H., Tchernycheva M. Flexible inorganic light emitting diodes based on semiconductor nanowires. Chem. Sci. 2017. Vol. 8. P. 7904–7911.
  14. Park G.C., Hwang S.M., Lee S.M., Choi J.H., Song K.M., Kim H.Y., Kim H.-S., Eum S.-J., Jung S.-B., Lim J.H., Joo J. Hydrothermally Grown In-doped ZnO Nanorods on p-GaN Films for Color-tunable Heterojunction Light-emitting-diodes. Sci. Rep. 2015. Vol. 5. P. 10410.
  15. Macaluso R., Lullo G., Crupi I., Sciré D., Caruso F., Feltin E., Mosca M. Progress in Violet Light-Emitting Diodes Based on ZnO/GaN Heterojunction. Electronics. 2020. Vol. 9. P. 991.
  16. Baratto C., Kumar R., Comini E., Faglia G., Sberveglieri G. Visible electroluminescence from a ZnO nanowires/p-GaN heterojunction light emitting diode. Optics Express. 2015. Vol. 23. № 15. P. 18937.
  17. Hamelmann F.U. Thin film zinc oxide deposited by CVD and PVD. J. of Phys. Conf. Ser. 2016. Vol. 764. P. 0112001.
  18. Mukhtar S., Asadov A., Gao W. Microstructure of ZnO thin films produced by magnetron sputter oblique deposition. Thin Solid Films. 2012. Vol. 520. P. 3453–3457.
  19. Демьянец Л.Н., Ли Л.Е., Лавриков А.С., Никитин С.В. Нанокристаллический оксид цинка: пиролитический синтез и спектроскопические характеристики. Кристаллография. 2010. T. 55. C. 149–156.
  20. Vayssieres L. Growth of arrayed nanorods and nanowires of ZnO from aqueous solutions. And. Mat. 2003. Vol. 15. P. 464–466.
  21. Jalil A.A., Triwahyono S. Hairom N.H.H., Razali N.A.M. Facile synthesis of a zinc oxide nanoparticle by electrochemical method. Malaysian J. of Fund. Appl. Sci. 2014. Vol. 10. P. 165–168.
  22. Ye J.D., Gu S.L., Qin F., Zhu S.M., Liu S.M., Zhou X., Liu W., Hu L.Q., Zhang R., Shi Y., Zheng Y.D., Ye Y.D. MOCVD growth and properties of ZnO films using dimethylzinc and oxygen. Applied Physics A. 2005. Vol. 81(4). P. 809–812.
  23. Wang S.P., Shan C.X., Yao B., Li B.H., Zhang J.Y., Zhao D.X., Shen D.Z., Fan X.W. Electrical and optical properties of ZnO films grown by molecular beam epitaxy. Appl. Surf. Sci. 2009. Vol. 225. P. 4913–4915.
  24. Znaidi L. Sol–gel-deposited ZnO thin films: A review. Mater. Sci. Eng.: B. 2010. Vol. 174. P. 18–30.
  25. Fan X.M., Lian J.S., Guo Z.X., Lu H.J. Microstructure and photoluminescence properties of ZnO thin films grown by PLD on Si (111) substrates. Appl. Surf. Sci. 2005. Vol. 239. P. 176–181.
  26. Handbook of Thin-Film Deposition Processes and Techniques. Second Edition / Ed. by Krishna Seshan. 2002. Published in the United States of America by Noyes Publications / William Andrew Publishing. 656 p.
  27. Суздалев И.П., Суздалев П.И. Нанокластеры и нанокластерные системы. Организация, взаимодействие, свойства. Успехи химии. 2001. Т. 70. № 3. С. 203–240.
  28. Родунер Э. Размерные эффекты в наноматериалах. М.: Техносфера. 2010.
  29. Томаев В.В., Полищук В.А., Мякин С.В., Вартанян Т.А., Леонов Н.Б. Структурные и оптические свойства нанослоев цинка и оксида цинка, получаемых магнетронным напылением и последующим термоокислением. Фундаментальные проблемы оптики: сборник трудов XII Международной конференции. Под редакцией С.А. Козлова, 2020. С. 336–338.
  30. Садовников С.И., Кожевникова Н.С., Ремпель А.А. Структура и оптические свойства нанокристаллических пленок сульфида свинца. Физика и техника полупроводников. 2010. Т. 44. Вып. 10. C. 1394–1400.
  31. Аванесян В.Т., Провоторов П.С., Сычев М.М., Ерузин А.А. Спектроскопия тонких пленок оксида цинка вблизи края фундаментального поглощения. Оптика и спектроскопия. 2021. Т. 129. Вып. 9. С. 1142–1145.
  32. Viezbicke B.D., Patel S., Davis B.E., Birnie D.P. Evaluation of the Tauc Method for Optical Absorption Edge Determination: ZnO Thin Films as a Model System. Physica Status Solidi, B. 2015. Vol. 252. P. 1700–1710.
  33. JCPSDS – International Center for Diffraction Data. Card № 05-0664 (2001).
  34. Scherrer P. Bestimmung der Grösse und der Inneren Struktur von Kolloidteilchen Mittels Röntgenstrahlen, Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften, Göttingen. Mathematisch-Physikalische Klasse. 1918. Vol. 2. P. 98–100.
  35. Dave P.Y., Patel K.H., Chauhan K.V., Chawla A.K., Rawal S.K. Examination of zinc oxide films prepared by magnetron sputtering. Procedia Technology. 2016. Vol. 23. P. 328–335. 3rd International Conference on Innovations in Automation and Mechatronics Engineering, ICIAME-2016.
  36. Волковский Ю.А., Жернова В.А., Фоломешкин М.С., Просеков П.А., Муслимов А.Э., Буташин А.В., Исмаилов А.М., Григорьев Ю.В., Писаревский Ю.В., Каневский В.М. Сравнительная рентгеновская дифрактометрия дефектной структуры эпитаксиальных пленок ZnO, выращенных методом магнетронного осаждения на подложках Al2O3 ориентации (0001) в неоднородном электрическом поле. Кристаллография. 2023. Т. 68. № 2. C. 180–188.
  37. Soati E., Dorranian D. Estimation of Lattice Strain in ZnO Nanoparticles Produced by Laser Ablation at Different Temperatures. Journal of Applied Spectroscopy. 2017. Т. 84, № 3. С. 475–482.
  38. Kisi E.H., Elcombe M.M. Parameters for the Wurtzite Structure of ZnS and ZnO using Powder Neutron Diffraction. Acta Cryst. 1989. V. C45. P. 1867–1870.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Shape and distribution of particles for the initial Zn films over an area of ​​600 × 600 nm according to SEM data at a layer thickness of 10 (a), 60 (b) and 80 (c) nm.

Download (112KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Shape and distribution of particles for oxidized ZnO films over an area of ​​600 × 600 nm according to SEM data with an initial Zn layer thickness of 10 (a), 60 (b), and 80 (c) nm.

Download (108KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Transmission (a) and absorption (b) spectra of ZnO layers with the thickness of the initial Zn layers being 10–80 nm.

Download (143KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Transmission spectra of ZnO films in Tauc coordinates.

Download (91KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the band gap width Eg on the ZnO film thickness.

Download (50KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. X-ray diffraction patterns of ZnO films of different thicknesses.

Download (71KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the intensity of the diffraction peak in the (002) plane on the film thickness.

Download (78KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dependence of the position of the maximum of the (002) peak on the thickness of the ZnO film.

Download (61KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Dependence of crystal size and FWHM on film thickness.

Download (78KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences