Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

FORMING TRANSPARENT CONDUCTIVE NANOCRYSTALLINE ZnO FILMS BY PULSED LASER DEPOSITION

Vakulov D.E. 1 Vakulov Z.E. 1 Zamburg E.G. 1 Ivonin M.N. 1 Shumov A.V. 1
1 Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education «Southern Federal University»
We have developed a technology of producing transparent conductive nanocrystalline films of ZnO. Experimental researching were carried out in the module of pulsed laser deposition at multifunctional ultrahigh nanotechnological facilities NanoFab STC-9. Exploration of the surface morplogy of ZnO films used Probe NanoLaboratory NTEGRA Vita, and Hall-effect measurements for measure electrical parameters. We have done analysis of the relationship electrical and morphological characteristics of target-substrate distance at pulsed laser deposition. It was found that increasing target-substrate distance facilitates reducing electron mobility and roughless of surface in the nanocrystalline ZnO films; resistivity increase with augmentation this distance. Transparent conductive nanocrystalline ZnO films which have been obtained, have a low surface roughness and electrical resistance in a wide range of process condition required to create transparent conductive coverage. The researching results can be used to develop sensors, optoelectronic devices, solar cells, photovoltaic inverters, transistor structures based on transparent conductive films of ZnO.
nanotechnology
transparent conductive oxides
ZnO
nanocrystalline films
pulsed laser deposition (PLD)
1. Ageev O.A., Kolomijcev A.S., Mihajlichenko A.V., Smirnov V.A., Ptashnik V.V., Solodovnik M.S., Fedotov A.A., Zamburg E.G., Klimin V.S., Il’in O.I., Gromov A.L., Rukomojkin A.V., Izvestija Juzhnogo federal’nogo universiteta. Tehnicheskie nauki, 2011, T. 114, no. 1, pp. 109 –116.
2. Konoplev B.G., Ageev O.A., Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki, 2008, no. 12 (89), pp. 165–175.
3. Caricato A. P., Creti A., Luchesa A., Lomascolo M., Martino M., Rella R., Valerini D., Laser Physics, 2011, T. 21, no. 3, pp. 588–597.
4. May-Smith T., Thesis submitted for the Degree of Doctor of Philosophy. University of Southhampton, 2005, p.31.
5. Zhong Lin Wang, Materials Science and Engineering R., 2009, no. 64, pp. 33–71

Оксид цинка является одним из наиболее перспективных материалов для создания приборов наноэлектроники и наносистемной техники. Интерес обусловлен рядом электрофизических свойств ZnO: высокой температурой плавления и теплопроводностью, фоточувствительностью, пьезо- и пироэффектом, широкой запрещенной зоной, большой экситонной энергией, химической стабильностью, биологической совместимостью, что позволяет использовать ZnO в качестве прозрачного проводящего оксидного материала. Оксид цинка обладает низким удельным сопротивлением и хорошими оптическими свойствами и является одним из самых перспективных материалов для создания прозрачных проводящих
покрытий [5].

Задача получения покрытий с высокой проводимостью при низких температурах подложки (ниже 300 °C) и без последующей операции отжига является актуальной, например, при изготовлении многослойных покрытий солнечных батарей (так как при низкой температуре замедляются процессы взаимной диффузии слоев), или при напылении проводящих покрытий на полимерные подложки при температурах, не превышающих температуру размягчения материала.

Однако разработанные к настоящему времени способы термического испарения обеспечивают получение прозрачных проводящих пленок на основе ZnО с низким удельным сопротивлением только при температуре выше температуры размягчения полимерных подложек, что ограничивает область их возможного применения [4].

Целью работы является получение прозрачных проводящих нанокристаллических пленок на основе оксида цинка методом импульсного лазерного осаждения.

Материалы и методы исследования

Одним из наиболее перспективных методов получения наноструктурированных пленок оксидов является метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО) [2]. В ходе ИЛО происходит распыление мишени в вакууме импульсами лазера и осаждение материала мишени на подложку, как показано на рис. 1. Достоинствами этого метода является простота реализации, высокая скорость напыления, одинаково хорошее испарение всех химических элементов, содержащихся в мишени [3]. При испарении мишеней при определенных условиях можно получить пленку необходимого стехиометрического состава.

рис_55.tif

Рис. 1. Схема метода ИЛО

Электрофизические свойства нанокристаллических пленок оксида цинка зависят от энергии испаренных частиц, которая регулируется изменением расстояния мишень-подложка
при ИЛО [1].

Экспериментальные исследования проводились в модуле импульсного лазерного осаждения многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО «НТ – МДТ», Зеленоград), представленного на рис. 2.

рис_56.tif

Рис. 2. Модуль ИЛО многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9

Для исследований морфологии поверхности пленок ZnO использовалась Зондовая Нанолаборатория NTEGRA Vita (ЗАО «НТ – МДТ», Зеленоград). Измерения электрических параметров проводились с помощью системы измерений эффекта Холла HMS-3000 (EcopiaCorp., Корея).

Камера модуля импульсного лазерного осаждения откачивалась с помощью турбомолекулярного насоса до давления 1·10–6 Торр. Осаждение ZnO проводилось на ситалловые подложки размером 1,5×1,5 см. Плотность энергии лазерного излучения на поверхности мишени ZnO составляла 2 Дж/см2, длина волны лазерного излучения 248 нм, длительность импульса 20 нс. Расстояние мишень-подложка изменялось в диапазоне 75–135 мм.

Результаты исследования
и их обсуждение

В результате проведенного эксперимента получены нанокристаллические пленки n-ZnO, АСМ-изображения которых представлены на рис. 3.

aрис_57.tifбрис_58.tif

врис_59.tifгрис_60.tif

Рис. 3. АСМ-изображения нанокристаллических пленок ZnO, полученных при расстоянии
мишень-подложка 75 мм (а), 85 мм (б), 95 мм (в), 135 мм (г)

Установлено, что с увеличением расстояния мишень-подложка подвижность электронов в полученных нанокристаллических пленках ZnO уменьшается от 24 до 13 см2/В·с; удельное сопротивление увеличивается в пределах от 2,4·10–3 до 5,3·10–3 Ом·см; шероховатость уменьшается от 3,2 до 2,7 нм; средний диаметр зерна лежит в диапазоне от 76 до 82 нм. Данные зависимости представлены на рис. 4. Таким образом, параметры полученных прозрачных проводящих нанокристаллических пленок ZnO являются стабильными в широком диапазоне технологических
режимов.

Полученные нанокристаллические пленки ZnO имеют малую шероховатость поверхности и низкое электрическое сопротивление в достаточно широком диапазоне технологических режимов, необходимых для создания прозрачных проводящих покрытий. Таким образом, при совмещении технологии создания структур с использованием прозрачных проводящих покрытий на основе ZnO с кремниевой технологией снижаются требования к выбору режимов.

арис_61.tifбрис_62.tif

врис_63.tifгрис_64.tif

Рис. 4. Зависимость подвижности электронов (a), удельного сопротивления (б),
шероховатости поверхности (в), диаметра зерна (г) нанокристаллических пленок ZnO
от расстояния мишень-подложка

Заключение

Полученные результаты могут быть использованы при разработке чувствительных элементов сенсорных устройств, оптоэлектронных приборов, солнечных элементов, фотовольтаических преобразователей, транзисторных структур на основе прозрачных проводящих пленок ZnO.

Работа выполнена при поддержке государственными соглашениями № 14.A18.21.0107, № 12-08-90045/12, № 14.А18.21.0126, № 14.A18.21.0923, № 14.A18.21.0933, № 14.A18.21.0900, № 14.A18.21.0887, № 14.A18.21.1206 в рамках проектов РФФИ и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.

Рецензенты:

Жорник А.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры теоретической, общей физики и технологии, Физико-математического факульте-
та, ФГБОУ ВПО «Таганрогский государственный педагогический институт имени А.П. Чехова, г. Таганрог;

Рындин Е.А., д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник Южного научного центра Российской академии наук (ЮНЦ РАН), г. Ростов-на-Дону.

Работа поступила в редакцию 16.10.2012.