[論文レビュー] Optical properties of spin coated Cu doped ZnO nanocomposite films

P. Samarasekara, Udumbara Wijesinghe|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2017

ZnO doping and properties参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、5 at.%までの銅含有量を有するスピンコーティング法で作製された銅ドーピングZnOナノコンポジット膜の光学的特性を、透過率、吸光度、反射率、屈折率の測定を用いて調査した。主な発見は、銅ドーピングを増加させることでバンドギャップエネルギーが低下し、有機エレクトロニクス用途におけるZnOの電気的導電性が向上することである。

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.

研究の動機と目的

• 導電性およびアモルファスガラス基板上にスピンコーティング法を用いて純粋および銅ドーピングZnO膜を最適化して作製すること。
• 1–5 at.%の範囲で変化する銅ドーピングレベルが、透過率、吸光度、反射率、屈折率などの光学的特性に与える影響を調査すること。
• 銅含有量とZnO膜におけるバンドギャップエネルギーの関係を特定し、電気的導電性の向上を図ること。
• 溶液濃度およびスピンコーティングパラメータに応じた膜厚の変化を分析すること。
• 銅ドーピングZnO膜が透明導電酸化物用途に適している可能性を評価すること。

提案手法

• スピンコーティング法を用いて、アモルファスガラスおよび導電性ガラス基板上に純粋および銅ドーピングZnO膜を堆積した。
• 銅ドーピングレベルは、ZnOマトリックス内において1%から5%の原子パcentに変化させた。
• 透過率は実験的に測定され、標準的な光学的関係式を用いて吸光度、反射率、屈折率を導出した。
• 膜厚は、屈折率対波長プロットから計算された。
• バンドギャップエネルギーは、吸光係数の二乗と光子エネルギーの関係を用いたTaucプロット法により決定した。
• 膜品質の最適化を図るため、焼鈍条件およびコーティングパラメータ（回転速度、時間、溶液濃度）を体系的に変化させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅ドーピング濃度はZnO膜の光学的透過率にどのように影響するか？
• RQ2 ZnOナノコンポジット膜における銅ドーピングレベルとバンドギャップエネルギーの関係は何か？
• RQ3 スピンコーティングパラメータは膜厚および光学的特性にどのように影響するか？
• RQ4 バンドギャップの縮小によって示されるように、銅ドーピングはZnO膜の導電性をどの程度向上させるか？
• RQ5 ZnO膜における銅含有量の増加に伴い、屈折率および反射率はどのように変化するか？

主な発見

• 純粋ZnOの光学的バンドギャップは約3.35 eVから、5 at.%銅ドーピングでは約3.25 eVに低下した。
• 可視光領域全体で透過率が80%以上を維持し、可視光領域における良好な光学的透明性を示した。
• 屈折率は波長およびドーピングレベルに依存し、銅含有量の増加に伴いわずかに上昇した。
• 膜厚は溶液濃度およびコーティングパラメータに応じて非単調に変化し、一貫した傾向は示さなかった。
• 銅ドーピングに伴い吸光度が上昇し、特に紫外領域で顕著であった。これはバンドギャップの狭小化と整合的であった。
• 銅含有量の増加に伴うバンドギャップの低下は、電気的導電性の向上を示唆しており、透明導電酸化物用途への応用可能性を裏付けている。