[논문 리뷰] 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)|2017. 10. 13.

Transition Metal Oxide Nanomaterials참고 문헌 29인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 DC 스퍼터링을 통해 유리 및 유연한 PET 기판에 증착된 Bi2O3 및 NiO 초박막 필름의 광학적 성질을 조사한다. UV-Vis-NIR 분광법과 광학형 탄성측정법을 사용하여, 필름은 다양한 기판에서 높은 가시광선 투과도(>80%)와 일관된 광학적 에너지 갭을 나타내며, Bi2O3는 약간 더 우수한 투명도와 낮은 흡수 계수를 보여, 투명 전자소자 응용 분야에서 강력한 잠재력을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 투명 전자 장치에 활용하기 위한 Bi2O3 및 NiO 초박막 필름의 광학 성능 평가.
• 동일한 증착 조건에서 유리 및 PET 기판 간의 광학 상수 및 투과도 비교.
• 두 가지 보완적인 기술을 사용하여 직접/간접, 허용/금지 전이 유형에 대한 광학적 에너지 갭 결정.
• XRD 및 SEM를 통한 필름 미세구조 및 표면 형태 분석을 바탕으로 광학적 거동과의 연관성을 규명하여 재료 선별 개선.

제안 방법

• 실온(300 K)에서 DC 마그네트론 스퍼터링을 이용해 Bi2O3 및 NiO 필름을 유리 및 PET 기판에 증착.
• 200–2200 nm 범위에서 새로운 비정질 분산 모델을 적용한 프로필로미터 및 광학형 탄성측정법을 사용해 필름 두께 측정.
• 이중비출 UV-Vis-NIR 분광계 및 광학형 탄성측정법을 사용해 광학 상수 분석하고, 일관성 검증.
• Tauc 도표 방법을 통해 네 가지 전이 유형(허용/금지, 직접/간접)의 흡수 계수 및 광학적 에너지 갭 계산.
• XRD 및 SEM을 사용해 필름의 결정 구조 및 표면 형태 분석.
• 광학형 탄성측정법에 새로운 비정질 분산 모델 적용으로 광학 상수 추출 정확도 향상.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi2O3 및 NiO 필름이 유리 기판과 비교해 가소성 있는 PET 기판에 증착되었을 때, 광학적 투과도 및 흡수 계수는 어떻게 상이한가?
• RQ2 Bi2O3 및 NiO 필름에서 허용 및 금지 전이의 직접 및 간접 전이에 대한 광학적 에너지 갭은 무엇이며, 측정 기술 간에 어떻게 비교 가능한가?
• RQ3 XRD 및 SEM로 확인된 필름의 미세구조 및 표면 형태는 이러한 투명 산화물 필름의 광학적 성질에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 동일한 필름에 대해 UV-Vis-NIR 분광법과 광학형 탄성측정법으로 유도된 광학 상수가 얼마나 일관된가?
• RQ5 투명 전자소자 응용 분야에서 Bi2O3 또는 NiO 중 어느 재료가 더 뛰어난 광학적 투과도와 낮은 흡수를 보이는가?

주요 결과

• Bi2O3 및 NiO 필름은 유리 및 PET 기판에 증착된 상태에서 가시광선 영역(400–700 nm)에서 평균 투과도가 80% 이상을 기록한다.
• 두 재료 모두 가시광선 영역에서 낮은 흡수 계수를 유지하며, Bi2O3는 NiO보다 약간 낮은 값을 보인다.
• Tauc 도표를 통한 광학적 에너지 갭 산정 결과, UV-Vis-NIR 및 광학형 탄성측정법 간 일관된 값 도출로 측정 신뢰도 확인.
• Bi2O3의 허용 직접 전이 에너지 갭은 약 2.95 eV였고, NiO는 약 3.55 eV로, 각각 다른 밴드 에지 거동을 나타낸다.
• XRD 및 SEM 분석 결과, 기판 및 재료에 따라 비정질 또는 다결정 구조를 보였으며, PET 기판 상의 Bi2O3에서는 명백한 결정 피크를 관찰하지 못했다.
• 광학형 탄성측정법에 새로운 비정질 분산 모델 적용으로 200–2200 nm 범위에서 굴절률 및 흡수 계수 추출 정확도 향상.