[논문 리뷰] Characterization of spin coated Zn doped cupric oxide thin films

P. Samarasekara, P G D C K Karunarathna외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 04.

ZnO doping and properties참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다양한 Zn 농도(최대 10 wt%)와 열처리 온도를 조절하여 스핀 코ating 방식으로 제조한 Zn 도핑된 CuO 얄판막의 구조적 및 광학적 특성을 최적화하는 것을 목적으로 한다. 도핑 농도와 공정 조건를 조절함으로써 광학 밴드 갭을 성공적으로 조절하였으며, 약 6% Zn 도핑 부근에서 입자 크기, 응력, 비스듬한 결함 농도가 최대에 이르는 중요한 전환점이 관찰되어, 향상된 필름 품질을 위한 최적의 도핑 임계점이 존재함을 시사한다.

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%.

연구 동기 및 목표

• 저비용 스핀 코팅 기술을 이용해 균일한 Zn 도핑된 CuO 얄판막을 개발하여 옵티오일렉트로닉 응용을 위한 기반을 마련한다.
• CuO 얄판막의 구조적 및 광학적 특성에 미치는 Zn2+ 도핑 농도(최대 10 wt%)의 영향을 조사한다.
• 결정성 향상과 결함 최소화를 위한 최적의 Zn 도핑 수준을 규명한다.
• 입자 크기, 응력, 비스듬한 결함 농도, 광학 밴드 갭 간의 상관관계를 도핑 농도의 함수로 분석한다.
• 구조적 및 광학적 특성이 비단조화적인 경향을 보이며, 6% 도핑 부근에서 임계 도핑 임계점이 존재하는지 확인한다.

제안 방법

• Cu 및 Zn 전구체를 포함하는 용액을 사용하여 스핀 코팅을 통해 Zn 도핑된 CuO 얄판막을 제조하였다.
• 코ating 동안 스핀 속도와 지속 시간을 조절하여 필름 두께를 제어하였다.
• 결정화를 위해 공기 중에서 다양한 온도에서 열처리를 실시하였다.
• X선 회절(XRD)을 사용하여 결정 구조, 상 순도를 분석하고, 입자 크기, 응력, 비스듬한 결함 농도를 계산하였다.
• 자외선-가시광선 분광법을 사용하여 광학 밴드 갭과 도핑 및 입자 크기 변화에 따른 변화를 측정하였다.
• 도핑 농도를 0에서 10 wt%까지 체계적으로 변화시켜 필름 특성에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Zn2+ 도핑 농도는 스핀 코팅된 CuO 얄판막의 결정성과 상 순도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 CuO 필름의 입자 크기, 응력, 비스듬한 결함 농도가 최대 또는 전환점에 도달하는 Zn 도핑 수준는 얼마인가?
• RQ3 입자 크기 변화와 함께 증가하는 Zn 도핑에 따른 CuO 얄판막의 광학 밴드 갭은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 구조적 및 광학적 반응이 비단조화적인 경향을 보이며, 6% 도핑 부근에서 임계 임계점이 존재하는가?
• RQ5 저농도 Zn 도핑을 통해 스핀 코팅 공정에서 CuO의 광학 밴드 갭을 효과적으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• Zn 도핑된 CuO 얄판막의 광학 밴드 갭은 입자 크기가 증가함에 따라 감소하여, 크기에 의존하는 밴드 갭 조절 가능성을 시사한다.
• 입자 크기, 비스듬한 결함 농도, 응력 등의 구조적 매개변수에서 6 wt% Zn 도핑 부근에서 전환점이 관찰되어 최적의 도핑 임계점이 존재함을 시사한다.
• 6 wt% Zn 도핑에서 입자 크기가 최대에 이르렀고, 비스듬한 결함 농도와 응력도 최대에 이르렀으며, 이는 구조적 전이가 일어남을 나타낸다.
• 광학 밴드 갭은 도핑 농도에 따라 비단조화적인 경향을 보였으며, 6 wt%까지 감소하다가 이후 분석에 따라 안정화되거나 증가할 가능성이 있다.
• 이 연구는 Zn 도핑이 스핀 코팅된 CuO 필름의 광학 밴드 갭을 효과적으로 조절할 수 있음을 확인하였으며, 태양전지 및 옵티오일렉트로닉 장치 응용에 잠재적 활용 가능성을 제시한다.
• 공기 중에서의 열처리로 CuO 상의 결정화가 성공적으로 이루어졌으며, XRD 분석을 통해 모든 도핑 수준에서 단일 상의 단일정계 구조가 형성되었음을 확인하였다.