[論文レビュー] Comparison the optical properties for Bi2O3 and NiO ultrathin films deposited on different substrates by DC sputtering technique for transparent electronics

Mohammed Rasheed, R. Barillé|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2017

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 29被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、室温（300 K）で直流磁控濁着法を用いてガラスおよび柔軟性PET基板上に堆積されたBi2O3およびNiO超薄膜の光学的特性を調査した。UV-Vis-NIR分光法および分光的エリプソメトリーを用い、両基板上においても高い可視光透過率（>80%）と一貫性のある光学的バンドギャップを示した。Bi2O3はわずかに優れた透過率と低い吸収係数を示しており、透明エレクトロニクス応用への強い可能性を示している。

ABSTRACT

Bismuth and Nickel transparent oxides thin films were grown on glass and flexible polythelene terephalate (PET) substrates by DC sputtering technique at room temperature 300 K. The structures of Bi2O3 and NiO films were analyzed by X-ray diffraction (XRD) analyses and scanning electron microscopy (SEM). A profilometry is used to measure the thicknesses of the ultrathin films. These values were established by a spectro-ellipsometry technique with a new amorphous dispersion model in the range of 200 nm to 2200 nm with one nm increment. In addition, the optical constants of these films were investigated using a double beam UV-Vis-NIR spectrometer and a spectro-ellipsometry and compared using the same wavelength range. They present an excellent agreement. According to the optical transmittance spectra of the films a high average transmittance in the visible region of each sample deposited onto different substrates is measured. Moreover, the absorption coefficients and the optical energy gaps for four types of optical transitions (allowed direct, forbidden direct, allowed indirect, forbidden indirect) of the films were determined and compared with the two different techniques. Finally, the nature of the structure and morphology of Bi2O3 and NiO ultrathin films has been analyzed and compared.

研究の動機と目的

• 透明エレクトロニクス素子に用いるためのBi2O3およびNiO超薄膜の光学的性能を評価すること。
• 同一の堆積条件下で、ガラスおよびPET基板上における光学定数および透過率を比較すること。
• Taucプロット法を用いて、2つの補完的技術を用いて、直接/間接、許可/禁制の4種類の遷移タイプにおける光学的バンドギャップを特定すること。
• XRDおよびSEMによる薄膜の表面形態および構造と光学的挙動の相関関係を明らかにし、材料選定の改善を図ること。

提案手法

• 室温（300 K）で直流磁控濁着法を用いて、ガラスおよびPET基板上にBi2O3およびNiO薄膜を堆積した。
• プロファイルメーターおよび分光的エリプソメトリーを用いて膜厚を測定し、200–2200 nm範囲で新しいアモルファス分散モデルを適用した。
• 二光路式UV-Vis-NIR分光計および分光的エリプソメトリーを用いて光学定数を分析し、一貫性を確認した。
• Taucプロット法を用いて、吸収係数および4種類の遷移タイプ（許可/禁制、直接/間接）における光学的バンドギャップを計算した。
• XRDおよびSEMを用いて、薄膜の結晶構造および表面形態を分析した。
• エリプソメトリーに新しいアモルファス分散モデルを適用し、屈折率および消衰係数抽出の精度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi2O3およびNiO薄膜をガラス基板と柔軟性PET基板上に堆積した場合、可視光領域における透過率および吸収係数はどのように比較されるか？
• RQ2 Bi2O3およびNiO薄膜における許可および禁制の直接遷移および間接遷移の光学的バンドギャップは何か？また、測定手法間でどのように比較されるか？
• RQ3 XRDおよびSEMで特定された薄膜の形態および構造は、これらの透明酸化物薄膜の光学的特性にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 同一の薄膜について、UV-Vis-NIR分光法と分光的エリプソメトリーから得られた光学定数はどの程度一貫性があるか？
• RQ5 透明エレクトロニクス応用において、Bi2O3とNiOのどちらが可視光領域で優れた光学的透過率と低い吸収を示すか？

主な発見

• ガラスおよびPET基板上に堆積したBi2O3およびNiO薄膜は、可視光領域（400–700 nm）で平均透過率が80%を超える高い透過率を示した。
• 両材料とも可視光領域において吸収係数が低く保たれており、Bi2O3はNiOよりもわずかに低い値を示した。
• Taucプロット法により得られた光学的バンドギャップは、UV-Vis-NIR分光法と分光的エリプソメトリーの両手法で一貫した値を示しており、測定の信頼性が裏付けられた。
• Bi2O3の許可直接遷移のバンドギャップは約2.95 eV、NiOでは約3.55 eVであり、バンド端の挙動に差が認められた。
• XRDおよびSEM分析の結果、基板および材料に応じてアモルファスまたは多結晶構造を示したが、PET基板上に堆積したBi2O3では顕著な結晶ピークは観察されなかった。
• エリプソメトリーに新しいアモルファス分散モデルを適用することで、200–2200 nm範囲における屈折率および消衰係数の抽出精度が向上した。