[论文解读] Characterization of spin coated Zn doped cupric oxide thin films

P. Samarasekara, P G D C K Karunarathna+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2018

ZnO doping and properties参考文献 13被引用 3

一句话总结

本研究探讨了通过旋涂法制备的Zn掺杂CuO薄膜，其Zn浓度变化范围为0至10 wt%，并研究了不同退火温度对薄膜结构与光学性能的影响，以优化其性能。通过调节掺杂浓度和工艺条件，成功实现了光学带隙的调控，在约6% Zn掺杂处观察到一个关键转折点，此时颗粒尺寸、应变和位错密度达到峰值，表明该掺杂浓度为提升薄膜质量的最优阈值。

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%.

研究动机与目标

• 通过低成本的旋涂技术制备均匀的Zn掺杂CuO薄膜，用于光电器件应用。
• 研究Zn²⁺掺杂浓度（最高达10 wt%）对CuO薄膜结构与光学性能的影响。
• 确定能增强薄膜结晶度并减少缺陷的最优Zn掺杂水平。
• 分析颗粒尺寸、应变、位错密度与光学带隙随掺杂浓度变化的关系。
• 识别结构与光学性能呈现非单调行为的临界掺杂阈值。

提出的方法

• 采用含Cu与Zn前驱体的溶液，通过旋涂法制备Zn掺杂CuO薄膜。
• 通过调节旋涂速度和时间控制薄膜厚度。
• 在不同温度下进行空气气氛退火，以实现CuO相的结晶。
• 利用X射线衍射（XRD）分析晶体结构、相纯度，并计算颗粒尺寸、应变和位错密度。
• 通过紫外-可见分光光度法测量光学带隙及其随掺杂浓度和颗粒尺寸的变化。
• 系统性地将掺杂浓度从0调整至10 wt%，以评估其对薄膜性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Zn²⁺掺杂浓度如何影响旋涂法制备的CuO薄膜的结晶度与相纯度？
• RQ2 在何种Zn掺杂水平下，CuO薄膜的颗粒尺寸、应变和位错密度达到最大值或转折点？
• RQ3 随着Zn掺杂量的增加及相应颗粒尺寸的变化，CuO薄膜的光学带隙如何变化？
• RQ4 结构与光学响应是否在约6%掺杂处表现出临界阈值，如非单调趋势所示？
• RQ5 能否通过低浓度Zn掺杂在旋涂薄膜工艺中有效调控CuO的光学带隙？

主要发现

• Zn掺杂CuO薄膜的光学带隙随颗粒尺寸增大而减小，表明带隙具有尺寸依赖性调制特性。
• 在约6 wt% Zn掺杂处观察到结构参数（颗粒尺寸、位错密度和应变）的转折点，表明存在最优掺杂阈值。
• 在6 wt% Zn掺杂时，颗粒尺寸达到最大值，同时位错密度和应变也达到峰值，表明发生了结构转变。
• 光学带隙随掺杂浓度呈现非单调变化趋势：在6 wt%之前减小，之后可能趋于稳定或增加，具体取决于进一步分析。
• 本研究证实，Zn掺杂可有效调控旋涂法制备的CuO薄膜的光学带隙，适用于光伏与光电器件的潜在应用。
• 在空气中退火成功实现了CuO相的结晶，XRD分析证实所有掺杂水平下均形成了单一的单斜相结构。