[论文解读] 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 11

一句话总结

本研究通过在室温下采用直流磁控溅射法在玻璃和柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上制备Bi2O3和NiO超薄薄膜，研究其光学性能。利用紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱法和光谱椭偏仪测量，薄膜在不同基底上均表现出高可见光透光率（>80%）和一致的光学带隙。Bi2O3薄膜表现出略优的透明度和更低的吸收系数，表明其在透明电子器件应用中具有较强潜力。

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.

研究动机与目标

• 评估Bi2O3和NiO超薄薄膜在透明电子器件中的光学性能。
• 在相同沉积条件下，比较不同基底（玻璃和PET）上光学常数和透光率的差异。
• 利用两种互补技术，确定不同跃迁类型（直接/间接，允许/禁戒）的光学带隙。
• 结合XRD和SEM分析的薄膜形貌与结构，与光学行为相关联，以优化材料选择。

提出的方法

• 在室温（300 K）下，通过直流磁控溅射法在玻璃和PET基底上沉积Bi2O3和NiO薄膜。
• 利用台阶轮廓仪和光谱椭偏仪测量薄膜厚度，采用新型非晶态色散模型，波长范围为200–2200 nm。
• 利用双光束UV-Vis-NIR光谱仪和光谱椭偏仪分析光学常数，结果通过一致性验证。
• 基于Tauc图法计算四种跃迁类型（允许/禁戒，直接/间接）的吸收系数和光学带隙。
• 利用XRD和SEM分析薄膜的晶体结构和表面形貌。
• 在椭偏测量中引入新型非晶态色散模型，以提高200–2200 nm波长范围内折射率和消光系数提取的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在玻璃与柔性PET基底上沉积的Bi2O3和NiO薄膜，其光学透光率和吸收系数有何差异？
• RQ2 Bi2O3和NiO薄膜中允许与禁戒的直接和间接跃迁的光学带隙是多少？不同测量技术的结果如何比较？
• RQ3 薄膜的形貌与结构（通过XRD和SEM测定）在多大程度上影响这些透明氧化物薄膜的光学性能？
• RQ4 UV-Vis-NIR光谱法与光谱椭偏仪测得的同一薄膜的光学常数在多大程度上保持一致？
• RQ5 在透明电子器件应用中，哪种材料（Bi2O3或NiO）在可见光谱范围内表现出更优的光学透明度和更低的吸收？

主要发现

• 在玻璃和PET基底上制备的Bi2O3和NiO薄膜在可见光区（400–700 nm）均表现出>80%的平均透光率。
• 两种材料在可见光谱范围内的吸收系数均保持较低水平，其中Bi2O3的吸收系数略低于NiO。
• 通过Tauc图法测定的光学带隙在UV-Vis-NIR与光谱椭偏仪两种技术中结果一致，证实了测量的可靠性。
• Bi2O3的允许直接跃迁带隙约为2.95 eV，而NiO约为3.55 eV，表明其导带边行为存在差异。
• XRD和SEM分析显示，薄膜结构为非晶态或多晶态，具体取决于基底和材料类型，其中在PET基底上制备的Bi2O3薄膜未观察到显著的衍射峰。
• 在椭偏测量中引入的新型非晶态色散模型，显著提高了200–2200 nm波长范围内折射率与消光系数提取的准确性。