[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过透射率、吸收率、反射率和折射率测量，调查了铜掺杂浓度最高达5 at.%的旋涂Cu掺杂ZnO纳米复合薄膜的光学性质。主要发现是，随着Cu掺杂量增加，带隙能降低，从而增强ZnO在光电器件应用中的电导率。

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.

研究动机与目标

• 通过在导电玻璃和非晶玻璃基底上旋涂制备纯ZnO和Cu掺杂ZnO薄膜，以实现工艺优化。
• 研究不同Cu掺杂水平（1–5 at.%）对透光率、吸收率、反射率和折射率等光学性质的影响。
• 确定Cu浓度与ZnO薄膜带隙能之间的关系，以增强电导率。
• 分析薄膜厚度随溶液浓度和旋涂参数的变化规律。
• 评估Cu掺杂ZnO薄膜在透明导电氧化物应用中的潜力。

提出的方法

• 采用旋涂法在非晶玻璃和导电玻璃基底上沉积纯ZnO和Cu掺杂ZnO薄膜。
• 在ZnO基体中将Cu掺杂浓度从1%调节至5%（原子百分比）。
• 通过实验测得透光率，并利用标准光学关系推导出吸收率、反射率和折射率。
• 通过折射率与波长的关系图计算薄膜厚度。
• 采用Tauc图法，通过吸收系数的平方与光子能量的关系确定带隙能。
• 系统性地改变退火条件和涂覆参数（转速、时间、溶液浓度），以优化薄膜质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cu掺杂浓度如何影响ZnO薄膜的光学透光率？
• RQ2 ZnO纳米复合薄膜中Cu掺杂水平与带隙能之间存在何种关系？
• RQ3 旋涂参数如何影响薄膜厚度和光学性质？
• RQ4 Cu掺杂通过带隙减小在多大程度上提升了ZnO薄膜的电导率？
• RQ5 随着ZnO薄膜中Cu含量的增加，折射率和反射率如何变化？

主要发现

• ZnO薄膜的光学带隙从纯ZnO的约3.35 eV降低至5 at.% Cu掺杂时的约3.25 eV。
• 在可见光波段内，透光率保持在80%以上，表明在可见光范围内具有良好的光学透明性。
• 折射率随波长和掺杂水平变化，且随Cu浓度增加而略有上升。
• 薄膜厚度随溶液浓度和涂覆参数的变化呈非单调变化，表明无一致趋势。
• 吸收率随Cu掺杂量增加而升高，尤其在紫外区域，与带隙缩小一致。
• 随着Cu浓度增加，带隙减小表明电导率增强，支持其在透明导电氧化物应用中的潜在用途。