[論文レビュー] New Sol-Gel Synthesis of Ordered Nanostructured Doped ZnO Films

N. R. S. Farley, C. R. Staddon+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2003

ZnO doping and properties参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、コバルト、鉄、マンガン、バナジウムでドーピングされた、高秩序でc軸配向のナノ構造を有するZnO薄膜を合成するための新規なソル・ゲル法を提示する。亜鉛酢酸とジメチルホルムアミドを用い、サファイア基板上でのスピンコーティングと熱アニール処理を経て、強い一軸結晶子配向と長距離構造的秩序を示す薄膜が得られた。コバルトドーピングでは柱状ナノ結晶が形成され、バナジウムドーピングでは基板反応によりZnAl2O4スパインル相が生成された。

ABSTRACT

A novel sol-gel route to c-axis orientated undoped and Co, Fe, Mn and V doped ZnO films is reported. Sols were prepared from a hydrated zinc acetate precursor and dimethyl formamide (DMF) solvent. Films were spin-coated on to hydrophilic sapphire substrates then dried, annealed and post-annealed, producing almost purely uniaxial ZnO crystallites and a high degree of long-range structural order. Specific orientation of hexagonal crystallites is demonstrated both perpendicular and parallel to the substrate surface. Cobalt doping resulted in the formation of columnar ZnO nanocrystals. Vanadium doped films formed the spinel oxide ZnAl2O4, resulting from the reaction between ZnO and the sapphire substrate. Structural, optical and morphological characterisation demonstrated the high quality of the films.

研究の動機と目的

• 制御されたナノ構造を有する高配向ZnO薄膜をスケーラブルで低コストなソル・ゲル経路で合成するための開発。
• ドーピングされていないおよび遷移金属ドーピングされたZnO薄膜における強いc軸配向と長距離構造的秩序の実現。
• コバルト、鉄、マンガン、バナジウムなどの異なるドーパントが薄膜の結晶性、表面形態および相形成に与える影響の調査。
• ドーピングされたZnO薄膜とサファイア基板の相互作用、特にバナジウムドーピング系における相互作用の探求。

提案手法

• 水和亜鉛酢酸とジメチルホルムアミド（DMF）を溶媒として用いたソルを調製した。
• 親水性サファイア基板上にスピンコーティング法を用いて薄膜を堆積した。
• 堆積後処理として、制御された乾燥、アニール処理、およびアニール後処理を実施し、結晶化と配向性を促進した。
• X線回折および電子顕微鏡法により、c軸配向とナノ結晶構造が確認された。
• 構造的、光学的および形態的特性評価は、XRD、SEMおよびUV-Vis分光法を用いて実施した。
• 特にバナジウムドーピング薄膜において、ドーパントの相安定性および界面反応における役割を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DMFと亜鉛酢酸を用いたソル・ゲルプロセスが、長距離構造的秩序を有するc軸配向ZnO薄膜を生成可能か？
• RQ2 コバルト、鉄、マンガン、バナジウムドーピングがZnO薄膜の結晶性、表面形態および相組成にどのように影響を与えるか？
• RQ3 サファイア基板が相進化に果たす役割、特にバナジウムドーピング系においては？
• RQ4 このソル・ゲル経路が、コバルトドーピング薄膜における柱状成長などのナノ構造形成をどの程度制御可能か？
• RQ5 この方法により高品質な単相ZnO薄膜が得られるか、それとも界面反応によって二次相が生成されるか？

主な発見

• ソル・ゲルプロセスにより、ほぼ純粋な一軸c軸配向と高い長距離構造的秩序を有するZnO薄膜が得られた。
• コバルトドーピングにより、明確な柱状ZnOナノ結晶が形成され、異方性成長が促進されたことが示された。
• バナジウムドーピングにより、ZnOとサファイア基板の反応によってZnAl2O4スパインル相が生成された。
• XRDおよび形態的分析により、薄膜の高い構造的品質が確認され、コバルト、鉄、マンガンドーピング試料では二次相がほとんど認められなかった。
• 光学的特性評価により、良好な透過性とバンドエッジ特徴が確認され、薄膜の高品質さが示された。
• この方法により、複数のドーパント種別にわたって秩序あるナノ構造を有する薄膜が成功裏に得られ、プロセスの多様性が示された。