[論文レビュー] Characterization of spin coated Zn doped cupric oxide thin films

P. Samarasekara, P G D C K Karunarathna+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2018

ZnO doping and properties参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、10 wt%までの varyingなZn濃度と焼鈍温度を用いて、スピンコーティング法で作製したZnドーピングCuO薄膜の構造的および光学的特性を最適化することを目的としている。ドーピングレベルと処理条件を調整することで、光学的バンドギャップを成功裏にチューニングした。6 wt%付近のZnドーピングで、粒子径、応力、不履歴密度が最大値を示す臨界転換点が観察され、薄膜品質の向上に寄与する最適ドーピング閾値であることが示された。

ABSTRACT

Thin films of Zn2+ doped cupric oxide (CuO) were synthesized using spin coating technique starting from a solution with Cu and Zn. The speed of spin coating and time duration were varied to fabricate a film with required uniform thickness. Samples were subsequently annealed in air at different annealing temperatures to crystallize the phase of CuO. Doping concentration of Zn2+ was varied up to weight percentage of 10%. Structural properties of samples were determined using X-ray diffraction technique. Particle size, dislocation density and strain at different doping concentrations were determined using XRD patterns. Optical properties were measured by means of UV/Vis spectrometer. Optical band gap of CuO could be tailored by doping a trace amount of Zn2+. The optical band gap decreases with increase of particle size. The particle size, dislocation density, strain and optical band gap have a turning point close to the doping concentration of 6%.

研究の動機と目的

• 低コストなスピンコーティング法を用いて、光エレクトロニクス応用を想定した均一なZnドーピングCuO薄膜の開発。
• CuO薄膜の構造的および光学的特性に及ぼすZn2+ドーピング濃度（最大10 wt%）の影響を調査すること。
• 薄膜の結晶性を向上させるとともに欠际を最小限に抑える最適Znドーピングレベルを特定すること。
• ドーピング濃度関数としての粒子径、応力、不履歴密度、および光学的バンドギャップの関係を分析すること。
• 構造的および光学的特性に非単調的挙動が現れる臨界ドーピング閾値（6%付近）を同定すること。

提案手法

• CuおよびZnの前駆体を含む溶液を用いたスピンコーティング法により、ZnドーピングCuO薄膜を調製した。
• 膜厚は、コーティング中の回転速度および時間の調整により制御された。
• 沈殿後、異なる温度で空気中で焼鈍処理を施し、CuO相の結晶化を達成した。
• X線回折（XRD）を用いて結晶構造、相純度、および粒子径、応力、不履歴密度の計算を実施した。
• 紫外可視分光法を用いて、光学的バンドギャップおよびドーピングと粒子径に伴うその変化を測定した。
• ドーピング濃度を0〜10 wt%まで系統的に変化させ、薄膜特性への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Zn2+ドーピング濃度は、スピンコーティング法で作製されたCuO薄膜の結晶性および相純度にどのように影響するか？
• RQ2 CuO薄膜の粒子径、応力、不履歴密度が最大値または転換点に達するのは、どのZnドーピング濃度か？
• RQ3 粒子径に応じた増加するZnドーピングに伴い、CuO薄膜の光学的バンドギャップはどのように変化するか？
• RQ4 構造的および光学的応答が、非単調的傾向を示す臨界ドーピング閾値（6 wt%付近）を有するか？
• RQ5 スピンコーティング法による低濃度Znドーピングで、CuOの光学的バンドギャップを有効にチューニング可能か？

主な発見

• ZnドーピングCuO薄膜の光学的バンドギャップは、粒子径の増加に伴い減少し、サイズ依存性のバンドギャップチューニングが示された。
• 粒子径、不履歴密度、応力といった構造的パラメータに、6 wt% Znドーピング付近で転換点が観察され、最適ドーピング閾値を示唆した。
• 6 wt% Znドーピング時、粒子径は最大値に達し、不履歴密度および応力もピークに達した。これは構造的転移を示している。
• 光学的バンドギャップはドーピング濃度に応じて非単調的傾向を示し、6 wt%まで減少し、その後、さらなる分析に応じて安定化または増加する可能性があった。
• 本研究では、Znドーピングが、太陽電池および光エレクトロニクス素子への応用を想定したスピンコーティング法で作製されたCuO薄膜の光学的バンドギャップを有効にチューニング可能であることを確認した。
• 空気中での焼鈍処理により、CuO相の結晶化が成功し、XRD分析により、全ドーピングレベルで単相のモノクロイン的構造の形成が確認された。