[논문 리뷰] Optical properties of spin coated Cu doped ZnO nanocomposite films

P. Samarasekara, Udumbara Wijesinghe|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 04.

ZnO doping and properties참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 투과도, 흡수도, 반사도 및 굴절률 측정을 통해 5 at.%까지의 구리 농도를 가진 스플린 코팅한 구리 도핑된 ZnO 나노복합막의 광학적 성질을 조사한다. 주요 발견은 구리 도핑 농도를 높일수록 금속간 에너지 띠가 감소하여 광전자 응용 분야에서 ZnO의 전도도가 향상된다는 것이다.

ABSTRACT

Spin coating technique was used to synthesize pure ZnO and Cu doped ZnO films on amorphous and conducting glass substrates. The doped amount of Cu in ZnO was varied up to 5% in atomic percentage. Speed of spin coating system, coating time, initial chemical solution and annealing conditions were varied to optimize the properties of samples. Transmittance of samples was measured for ZnO doped with 1, 2, 3, 4 and 5% of Cu. Absorbance, reflectance and refractive index were derived from the measured transmittance. Film thickness of each film was calculated using the graphs of refractive index versus wavelength. Film thickness varies in a random manner depending on the amount of ZnO or Cu doped ZnO solutions spread on the substrate. The energy gap of each film was calculated using the graph of square of absorption coefficient time photon energy versus photon energy. The calculated energy gap values of Cu doped ZnO film samples decrease with the Cu concentration in ZnO. This means that the conductivity of ZnO can be increased by adding a trace amount of conducting material such as Cu.

연구 동기 및 목표

• 도전성 및 비정질 유리 기판에 스피닝 코팅을 사용하여 순수 및 구리 도핑된 ZnO 막의 제조를 최적화하기 위해.
• 1–5 at.% 범위의 다양한 구리 도핑 농도가 투과도, 흡수도, 반사도 및 굴절률과 같은 광학적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• ZnO 막에서 구리 농도와 띠 간격 에너지 사이의 관계를 규명하여 전기적 전도도를 향상시키기 위해.
• 용액 농도 및 스피닝 코팅 조건에 따른 막 두께 변화를 분석하기 위해.
• 구리 도핑된 ZnO 막이 투명 도전 산화물 응용 분야에서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 비정질 및 도전성 유리 기판에 순수 및 구리 도핑된 ZnO 막을 스피닝 코팅을 통해 도포하였다.
• 구리 도핑 수준은 ZnO 기질 내에서 1%에서 5%의 원자 백분율로 변화시켰다.
• 실험적으로 측정한 투과도를 바탕으로 표준 광학 관계식을 이용해 흡수도, 반사도 및 굴절률을 유도하였다.
• 굴절률 대 파장도를 기반으로 막 두께를 계산하였다.
• 흡수 계수의 제곱 대 광자 에너지 그래프를 이용한 Tauc 플롯 방법을 통해 띠 간격 에너지를 결정하였다.
• 막 품질을 최적화하기 위해 열처리 조건 및 코팅 조건(속도, 시간, 용액 농도)을 체계적으로 변화시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구리 도핑 농도는 ZnO 막의 광학적 투과도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 ZnO 나노복합막에서 구리 도핑 수준과 띠 간격 에너지 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ3 스핀 코팅 조건은 막 두께와 광학적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 구리 도핑은 띠 간격 감소를 통해 ZnO 막의 전도도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 ZnO 막에서 구리 함량이 증가함에 따라 굴절률과 반사도는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 순수 ZnO의 광학적 띠 간격은 약 3.35 eV에서 5 at.% 구리 도핑 시 약 3.25 eV로 감소하였다.
• 가시광선 영역에서 투과도는 >80%로 유지되어 가시광선 영역에서 양호한 광학적 투명성을 나타내었다.
• 굴절률은 파장과 도핑 수준에 따라 변했으며, 구리 농도가 증가함에 따라 약간 증가하는 경향을 보였다.
• 용액 농도 및 코팅 조건에 따른 막 두께는 비단조화적인 변화를 보였으며, 일관된 추세는 없었다.
• 흡수도는 특히 자외선 영역에서 구리 도핑에 따라 증가하였으며, 이는 띠 간격 감소와 일치하였다.
• 구리 농도 증가에 따른 띠 간격 감소는 전기적 전도도 향상으로 이어지며, 투명 도전 산화물 응용 분야에서의 잠재적 활용 가능성을 뒷받침한다.