Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом
Разработана методика синтеза золь–гель-методом плёнок состава ZnO:Al, предназначенных для использования в качестве активных слоёв в солнечных элементах. Выполнены исследования структурных и оптических свойств наноструктурированных золь–гель-плёнок состава ZnO:Al в зависимости от температуры синтез...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2014
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75950 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом / В.В. Сидский, А.В. Семченко, И.Ю.Осипова, Е.П. Зарецкая, В Ф. Гременок, В.Б. Залесский, В.В. Малютина-Бронская // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 1. — С. 65-71. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859649227620089856 |
|---|---|
| author | Сидский, В.В. Семченко, А.В. Осипова, И.Ю. Зарецкая, Е.П. Гременок, В Ф. Залесский, В.Б. Малютина-Бронская, В.В. |
| author_facet | Сидский, В.В. Семченко, А.В. Осипова, И.Ю. Зарецкая, Е.П. Гременок, В Ф. Залесский, В.Б. Малютина-Бронская, В.В. |
| citation_txt | Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом / В.В. Сидский, А.В. Семченко, И.Ю.Осипова, Е.П. Зарецкая, В Ф. Гременок, В.Б. Залесский, В.В. Малютина-Бронская // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 1. — С. 65-71. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Разработана методика синтеза золь–гель-методом плёнок состава ZnO:Al,
предназначенных для использования в качестве активных слоёв в солнечных элементах. Выполнены исследования структурных и оптических
свойств наноструктурированных золь–гель-плёнок состава ZnO:Al в зависимости от температуры синтеза.
Розроблено методику синтезу золь–ґель-методою плівок складу ZnO:Al,
призначених для використання як активні шари в сонячних елементах.
Виконано дослідження структурних та оптичних властивостей наноструктурованих золь–ґель-плівок складу ZnO:Al залежно від температури синтезу.
Method is developed for sol–gel synthesis of the ZnO:Al films for use as active
layers in solar cells. The investigations of structural and optical properties
of nanostructured ZnO:Al sol–gel films, depending on the temperature of
the synthesis.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:31:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
65
PACS numbers: 61.05.cm, 68.37.Ps, 72.40.+w, 73.50.Pz, 78.67.Pt, 81.20.Fw, 82.70.Gg
Влияние температуры обработки на структурные
и оптические свойства наноструктурированных
ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом
В. В. Сидский, А. В. Семченко, И. Ю. Осипова, Е. П. Зарецкая*,
В. Ф. Гременок*, В. Б. Залесский, В. В. Малютина-Бронская**
УО «Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины»,
ул. Советская, 104,
246019 Гомель, Беларусь
*НПЦ по материаловедению,
ул. П. Бровки, 19,
220072 Минск, Беларусь
**Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси,
просп. Независимости, 68,
220072 Минск, Беларусь
Разработана методика синтеза золь–гель-методом плёнок состава ZnO:Al,
предназначенных для использования в качестве активных слоёв в сол-
нечных элементах. Выполнены исследования структурных и оптических
свойств наноструктурированных золь–гель-плёнок состава ZnO:Al в зави-
симости от температуры синтеза.
Розроблено методику синтезу золь–ґель-методою плівок складу ZnO:Al,
призначених для використання як активні шари в сонячних елементах.
Виконано дослідження структурних та оптичних властивостей наностру-
ктурованих золь–ґель-плівок складу ZnO:Al залежно від температури си-
нтезу.
Method is developed for sol–gel synthesis of the ZnO:Al films for use as ac-
tive layers in solar cells. The investigations of structural and optical proper-
ties of nanostructured ZnO:Al sol–gel films, depending on the temperature of
the synthesis.
Ключевые слова: золь–гель-метод, оксид цинка, прозрачные проводящие
покрытия, структурные свойства, оптические свойства.
(Получено 21 ноября 2013 г.)
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2014, т. 12, № 1, сс. 65–71
2014 ІМФ (Інститут металоôізики
ім. Г. В. Êурдюмова ÍАÍ Óкраїни)
Íадруковано в Óкраїні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
66 В. В. СИДСÊИЙ, А. В. СЕМЧЕÍÊО, И. Ю. ОСИПОВА и др.
1. ВВЕДЕНИЕ
Оксид цинка ZnO (Eg3,45 эВ), обладающий уникальным сочета-
нием оптических, акустических и электрических свойств, широко
применяется в ряде оптоэлектронных устройств: преобразователях
акустических волн, оптических волноводах, лазерных отражате-
лях, широкополосных ôильтрах, жидкокристаллических диспле-
ях, солнечных элементах [1]. Плёнки ZnO получают методами хи-
мического осаждения, спрей-пиролиза, вакуумного испарения и
магнетронного напыления. Особый интерес вызывает исследование
возможностей получения ZnO плёнок с управляемыми ôизически-
ми характеристиками путём легирования различными металлами,
в частности, алюминием, используя золь–гель-осаждение. Этот ме-
тод сочетает простоту технологического процесса и низкую стои-
мость используемого оборудования и материалов. В настоящей ра-
боте рассмотрено влияние температуры обработки на структурные
и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок,
ôормируемых золь–гель-методом.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для получения золь–гель-методом слоёв на основе плёнок ZnO:Al за
основу был взят метод центриôугирования (spin-coating). Для по-
лучения плёнок требуемой толщины и хорошей однородности уста-
новлена корреляция между параметрами коллоидного раствора и
Рис. 1. Блок-схема синтеза золь–гель-методом слоёв на основе плёнок
ZnO:Al.
ВЛИЯÍИЕ ТЕМПЕРАТÓРЫ ОБРАБОТÊИ ÍА СВОЙСТВА ZnO:Al-ПЛЁÍОÊ 67
методом получения слоёв на основе плёнок ZnO:Al. Плёнки ZnO:Al
были синтезированы золь–гель-методом на основе изопропилового
спирта c содержанием 1,5 ат.% нитрата алюминия по схеме, пред-
ставленной на рис. 1.
Плёнкообразующий раствор был приготовлен следующим обра-
зом. Требуемое количество ацетата цинка, заливали абсолютным
изопропиловым спиртом, деметилôормамидом, 2-метоксиэтанолом
(в зависимости от вида золя) и перемешивали. Затем растворы по-
мещали в ультразвуковую ванну на 30 мин. Полученную смесь пе-
ремешивали 30 мин. Для созревания раствора его выдерживали при
температуре окружающей среды (222)С в течение 2–3 дней.
После нанесения золя на поверхность пластин (стекла, монокри-
сталлического кремния), они были помешены в печь, где нагрева-
лись 10 мин. пошагово с интервалом 20С до температуры 350С.
Процесс нанесения и сушки повторялся до получения нужной тол-
щины. Íа последней стадии подложки помешали в печь и нагрева-
ли пошагово с интервалом 20С до 550С.
Чтобы определить влияние температуры синтеза на структурные
и оптические свойства плёнок ZnO:Al, полученные плёнки отжига-
ли при температуре 350С, 450С, 500С.
Íа рисунке 2 приведены диôрактограммы плёнок ZnO:Al на ос-
нове изопропилового спирта в зависимости от температуры отжига.
Êак и ранее, в образцах ZnO:Al, полученных при Tотж350–500С,
при углах 234,37 обнаруживается сверхструктурный пик (200),
что свидетельствует о наличии гексагональной структуры вюрцита.
Пики (100), (200), (101) наблюдались у всех плёнок, что свидетель-
ствует об их высокой степени кристалличности с преимуществен-
ной ориентацией вдоль с-оси, перпендикулярной поверхности под-
Рис. 2. Диôрактограммы плёнок ZnO:Al на основе изопропилового спирта
в зависимости от температуры отжига.
68 В. В. СИДСÊИЙ, А. В. СЕМЧЕÍÊО, И. Ю. ОСИПОВА и др.
ложки. Êак следует из диôрактограмм, в плёнках ZnO:Al при тем-
пературе 350С наблюдается начало кристаллизации. Можно пред-
положить, что зародыши кристаллической ôазы образуются уже
при температуре 200°С (температура сушки после послойного нане-
сения плёнок методом центриôугирования) (диôрактограмма на
рис. 2 не приведена). Плёнки ZnO:Al, полученные при температуре
350С, имеют менее выраженную текстуру, о чём свидетельствует
пониженная интенсивность реôлекса (002) и большее значение его
полуширины (FWHM). Это свидетельствует о малом размере зёрен
плёнкообразующих покрытий, как и было ранее показано при
определении влияния выбора реагентов на структурные свойства
полученных плёнок.
С увеличением температуры в пределах 450–500С кристаллич-
ность плёнок увеличивается. И на диôрактограммах ZnO:Al-слоёв
проявляется доминирующий реôлекс при 34,37, соответствующий
отражению от плоскости (002) гексагональной структуры ZnO, и
реôлексы незначительной интенсивности от плоскостей (100),
(101), а также от плоскости (002) второго порядка отражения. Это
свидетельствует о снижении размера зерна в ZnO в направлении
Рис. 3. АСМ-изображения ZnO:Al-плёнок (11 мкм) на основе изопропило-
вого спирта в зависимости от температуры отжига, полученных золь–гель-
методом на поверхности монокристаллического кремния: а — ôаза, б —
топограôия, в — трёхмерное изображение.
ВЛИЯÍИЕ ТЕМПЕРАТÓРЫ ОБРАБОТÊИ ÍА СВОЙСТВА ZnO:Al-ПЛЁÍОÊ 69
нормали к образцу поверхности (рис. 1). Óгловое положение пиков
согласуется с JCPDS-данными для номинально чистого оксида
цинка (JCPDS card No. 89-0511). Итак, существенным ôактором,
влияющим на структурное упорядочение слоёв, является не только
выбор реагентов, но и температура обработки.
Полученные данные хорошо согласуются с исследованием мор-
ôологии поверхности методом атомно-силовой микроскопии (АСМ)
ZnO:Al-плёнок, полученных золь–гель-методом на поверхности
монокристаллического кремния в зависимости от температуры.
Для обработки изображений, как и в предыдущем случае, ис-
пользовалась модульная программа анализа данных сканирующей
зондовой микроскопии Gwyddion. Для уменьшения погрешности
статистической обработки анализ АСМ-изображений выполняли на
площади поверхности 44 мкм в зависимости от температуры.
Êак видно из АСМ-изображений (рис. 3, 4), рис. 5 и таблицы,
температура отжига оказывает влияние на образования частиц на
поверхности ZnO:Al-плёнок. При температуре отжига 350С сред-
ний размер частиц на поверхности ZnO:Al-плёнок составляет около
89 нм при шероховатости 3,2 нм. При температуре отжига 450С
размер частиц и шероховатость увеличиваются, а при температуре
500С размер частиц резко падает до 71 нм; при этом шероховатость
Рис. 4. АСМ-изображения ZnO:Al-плёнок (44 мкм) на основе изопропило-
вого спирта в зависимости от температуры отжига, полученных золь–гель-
методом на поверхности монокристаллического кремния.
70 В. В. СИДСÊИЙ, А. В. СЕМЧЕÍÊО, И. Ю. ОСИПОВА и др.
увеличивается до 6,4. Êак следует из приведённых данных, увели-
чение температуры приводит к уплотнению плёнки за счёт умень-
шения зерна до 70 нм, что приводит к улучшению оптических
свойств плёнок ZnO:Al.
Все плёнки, отожжённые при температуре 350–500С, прозрач-
ны в видимой и ближнем ÓФ-диапазоне (коэôôициент пропуска-
ния более 80%) (см. рис. 6).
Полученные плёнки ZnO:Al характеризуются высокой (88%)
величиной пропускания в области 400–1000 нм и поглощением в
коротковолновой области спектра. С увеличением температуры об-
работки пропускная способность плёнок ZnO:Al увеличивается. Íа
рисунке 6 можно выделить две области: в первой области энергия
квантов падающего излучения больше, чем ширина запрещённой
зоны ZnO:Al (400 нм), и здесь поглощение света резко увеличи-
вается; вторая область лежит в интервале длин волн 400 нм 1000 нм и здесь энергия падающих ôотонов низкая, а в результате
Рис. 5. Распределение частиц по размерам на поверхности ZnO:Al-плёнок
на основе изопропилового спирта в зависимости от температуры отжига.
ТАБЛИЦА. Статистика зёрен на поверхности ZnO:Al:Re3+-плёнок, полу-
ченных золь–гель-методом на поверхности монокристаллического крем-
ния на основе изопропилового спирта, в зависимости от температуры от-
жига.
Характеристика Тотж350C Тотж450С Тотж500С
Число зёрен 516 428 758
Шероховатость Ra, нм 3,2 3,5 6,4
Средний размер зерна, нм 89 97 71
ВЛИЯÍИЕ ТЕМПЕРАТÓРЫ ОБРАБОТÊИ ÍА СВОЙСТВА ZnO:Al-ПЛЁÍОÊ 71
плёнка ZnO:Al практически прозрачна для этого диапазона длин
волн.
Итак, оптимальной температурой ôормирования золь–гель-
методом плёнок ZnO:Al является 450С. Эта температура ôормиро-
вания обеспечивает высокое пропускание в оптическом диапазоне,
низкую шероховатость поверхности, высокую текстурированность.
Дальнейшее повышение температуры отжига приводит к возраста-
нию степени кристалличности золь–гель-плёнок состава ZnO:Al,
однако, микрорельеô их поверхности ухудшается.
Исследования выполнены при частичной ôинансовой поддержке
Белорусского республиканского ôонда ôундаментальных исследо-
ваний (Ф12РА-003).
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА–REFERENCES
1. T. Nagase, T. Ooie, H. Kominami, Y. Nakanishi, and N. Mizutani, Jap. J. Appl.
Phys., 42, No. 3: 1179 (2003).
2. D. Look, R. Jones, J. Sizelove, N. Garces, N. Giles, and L. Halliburton, phys.
stat. sol. (a), 195, No. 1: 171 (2003).
Рис. 6. Спектры пропускания в зависимости от температуры обработки
плёнок ZnO:Al на основе изопропилового спирта.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75950 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:31:31Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сидский, В.В. Семченко, А.В. Осипова, И.Ю. Зарецкая, Е.П. Гременок, В Ф. Залесский, В.Б. Малютина-Бронская, В.В. 2015-02-06T14:12:34Z 2015-02-06T14:12:34Z 2014 Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом / В.В. Сидский, А.В. Семченко, И.Ю.Осипова, Е.П. Зарецкая, В Ф. Гременок, В.Б. Залесский, В.В. Малютина-Бронская // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 1. — С. 65-71. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.05.cm,68.37.Ps,72.40.+w,73.50.Pz,78.67.Pt,81.20.Fw,82.70.Gg https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75950 Разработана методика синтеза золь–гель-методом плёнок состава ZnO:Al, предназначенных для использования в качестве активных слоёв в солнечных элементах. Выполнены исследования структурных и оптических свойств наноструктурированных золь–гель-плёнок состава ZnO:Al в зависимости от температуры синтеза. Розроблено методику синтезу золь–ґель-методою плівок складу ZnO:Al, призначених для використання як активні шари в сонячних елементах. Виконано дослідження структурних та оптичних властивостей наноструктурованих золь–ґель-плівок складу ZnO:Al залежно від температури синтезу. Method is developed for sol–gel synthesis of the ZnO:Al films for use as active layers in solar cells. The investigations of structural and optical properties of nanostructured ZnO:Al sol–gel films, depending on the temperature of the synthesis. Исследования выполнены при частичной финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (Ф12РА-003). ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом Сидский, В.В. Семченко, А.В. Осипова, И.Ю. Зарецкая, Е.П. Гременок, В Ф. Залесский, В.Б. Малютина-Бронская, В.В. |
| title | Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом |
| title_full | Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом |
| title_fullStr | Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом |
| title_full_unstemmed | Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом |
| title_short | Влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных ZnO:Al-плёнок, формируемых золь–гель-методом |
| title_sort | влияние температуры обработки на структурные и оптические свойства наноструктурированных zno:al-плёнок, формируемых золь–гель-методом |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75950 |
| work_keys_str_mv | AT sidskiivv vliânietemperaturyobrabotkinastrukturnyeioptičeskiesvoistvananostrukturirovannyhznoalplenokformiruemyhzolʹgelʹmetodom AT semčenkoav vliânietemperaturyobrabotkinastrukturnyeioptičeskiesvoistvananostrukturirovannyhznoalplenokformiruemyhzolʹgelʹmetodom AT osipovaiû vliânietemperaturyobrabotkinastrukturnyeioptičeskiesvoistvananostrukturirovannyhznoalplenokformiruemyhzolʹgelʹmetodom AT zareckaâep vliânietemperaturyobrabotkinastrukturnyeioptičeskiesvoistvananostrukturirovannyhznoalplenokformiruemyhzolʹgelʹmetodom AT gremenokvf vliânietemperaturyobrabotkinastrukturnyeioptičeskiesvoistvananostrukturirovannyhznoalplenokformiruemyhzolʹgelʹmetodom AT zalesskiivb vliânietemperaturyobrabotkinastrukturnyeioptičeskiesvoistvananostrukturirovannyhznoalplenokformiruemyhzolʹgelʹmetodom AT malûtinabronskaâvv vliânietemperaturyobrabotkinastrukturnyeioptičeskiesvoistvananostrukturirovannyhznoalplenokformiruemyhzolʹgelʹmetodom |