Синтез и исследование характеристик тонких, легированных железом пленок ZnO, осажденных методом химического спрей-пиролиза

Полупроводниковый оксид цинка ZnO обладает уникальными оптическими свойствами и широкими возможностями применения в различных областях техники. Высокие энергия связи экситона, оптическая пропускная способность, подвижность электронов, теплопроводность, а также сильная люминесценция при комнатной температуре создают большие перспективы применения ZnO в качестве материала для производства жидкокристаллических дисплеев, прозрачных проводящих электродов для солнечных батарей, светодиодов, тонкопленочных транзисторов, газовых сенсоров и спинтронных устройств. Эффективным способом улучшения физических свойств ZnO как многофункционального материала является легирование. Для устройств оптической связи и оптоэлектроники Ti, Fe и Co считают эффективными легирующими примесиями в ZnO. Из перечисленных легирующих металлов железо химически стабильно и существует в двух зарядовых состояниях Fe²⁺ и Fe³⁺, ионные радиусы которых близки к ионному радиусу цинка. За счет этого железо может свободно встраиваться в узлы Zn кристаллической решетки путем замещения или в междоузлия без нарушения кристаллической структуры ZnO, тем самым увеличивая количество носителей заряда и повышая проводимость. В работе для осаждения легированных железом пленок ZnO использовали простой, экономичный и не требующий создания вакуума метод спрей-пиролиза с концентрацией легирующего вещества в диапазоне 0–6 % (ат.) при постоянной температуре подложки 400 °С. Проанализировано и обсуждено влияние концентрации железа на физические свойства тонких пленок ZnO. Проведены подробные исследования свойств полученных пленок методами: рентгеновской дифрактометрии, спектроскопии комбинационного рассеяния света, сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, инфракрасной Фурье-спектроскопии, спектрофотометрии, а также с помощью измерений магнитных характеристик. На основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что концентрация легирующего Fe = 1 % (ат.) является оптимальной для пленок ZnO, обеспечивающей наилучшие физические свойства для создания приборных структур.

1. Byeong-Yun Oh, Min-Chang Jeong, Tae-Hyoung Moon, Woong Lee, Jae-Min Myoung, Jeoung-Yeon Hwang, Dae-Shik Seo. Transparent conductive Al-doped ZnO films for liquid crystal displays // J. Appl. Phys. 2006. V. 99, N 12. P. 124505. DOI: 10.1063/1.2206417

2. Bakin A., Behrends A., Waag A., Lugauer H.-J., Laubsch A., Streubel K. ZnO-GaN hybrid heterostructures as potential cost-efficient LED technology // Proc. IEEE. 2010. V. 98, N 7. P. 1281—1287. DOI: 10.1109/JPROC.2009.2037444

3. Bakin A., El-Shaer A., Mofor A. C., Al-Suleiman M., Schlenker E., Waag A. ZnMgO-ZnO quantum wells embedded in ZnO nanopillars: towards realisation of nano-LEDs // Phys. Status Solid, 2007. V. 4, N 1. P. 158—161. DOI: 10.1002/pssc.200673557

4. Nomura K., Ohta H., Ueda K., Kamiya T., Hirano M., Hosono H. Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor // Science. 2003. V. 300, N 5623. P. 1269—1272. DOI: 10.1126/science.1083212

5. Soaram Kim, Hyunsik Yoon, Do Yeob Kim, Sung-O Kim, Jae-Young Leem. Optical properties and electrical resistivity of boron-doped ZnO thin films grown by sol-gel dip-coating method // Opt. Mater. 2013. V. 35, N 12. P. 2418—2424. DOI: 10.1016/j.optmat.2013.06.048

6. Aragones A. C., Palacios-Padros A., Cabellero-Briones F., Sanz F. Study and improvement of aluminium doped ZnO thin films: limits and advantages // Electrochim. Acta. 2013. V. 109. P. 117—124. DOI: 10.1016/j.electacta.2013.07.053

7. Thambidurai M., Jun Young Kim, Jiyun Song, Youngjun Ko, Muthukumarasamy N., Dhayalan Velauthapillai, Changhee Lee. Nanocrystalline Ga-doped ZnO thin films for inverted polymer solar cells // Solar Energy. 2014. V. 106. P. 95—101. DOI: 10.1016/j.solener.2013.12.009

8. Chen K. J., Hung F. Y., Chang S. J., Hu Z. S. Microstructures, optical and electrical properties of In-doped ZnO thin films prepared by sol-gel method // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255, N 12. P. 6308—6312. DOI: 10.1016/j.apsusc.2009.02.007

9. Nunes P., Fortunato E., Tonello P., Braz Fernandes F., Vilarinho P., Martins R. Effect of different dopant elements on the properties of ZnO thin films // Vacuum. 2002. V. 64, N 3–4. P. 281—285. DOI: 10.1016/S0042-207X(01)00322-0

10. Koleva M. E., Atanasov P. A., Nedialkov N. N., Fukuoka H., Obara M. Role of vanadium content in ZnO thin films grown by pulsed laser deposition // Appl. Surf. Sci. 2007. V. 254, N 4. P. 1228—1231. DOI: 10.1016/j.apsusc.2007.07.180

11. Yilmaz S., Parlak M., Özcan Ş., Altunbaş M., McGlynn E., Bacaksiz E. Structural, optical and magnetic properties of Cr doped ZnO microrods prepared by spray pyrolysis method // Appl. Surf. Sci. 2011. V. 257, N 22. P. 9293—9298. DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.05.017

12. Shinde V. R., Gujar T. P., Lokhande C. D., Mane R. S., Han S.-H. Mn doped and undoped ZnO films: A comparative structural, optical and electrical properties study // Mater. Chem. Phys. 2006. V. 96, N 2–3. P. 326—330. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2005.07.045

13. Dhruvashi, Shishodia P. K. Effect of cobalt doping on ZnO thin films deposited by sol-gel method // Thin Solid Films. 2016. V. 612. P. 55—60. DOI: 10.1016/j.tsf.2016.05.028

14. Xing Zhao, Erjia Liu, Ramanujan R. V., Jingsheng Chen. Effects of rapid thermal annealing on structural, magnetic and optical properties of Ni-doped ZnO thin films // Curr. Appl. Phys. 2012. V. 12, N 3. P. 834—840. DOI: 10.1016/j.cap.2011.11.016

15. Hou D. L., Ye X. J., Meng H. J., Zhou H. J., Li X. L., Zhen C. M., Tang G. D. Magnetic properties of n-type Cu-doped ZnO thin films // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90, N 14. P. 142502. DOI: 10.1063/1.2719034

16. Sungbo Seo, Yao Litao, Hwamin Kim. Preparation of transparent metal films, titanium-doped zinc oxide films (TiO2)2(ZnO)98 on PEN by using a RF-magnetron sputtering method // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2014. V. 602, N 1. P. 64—71. DOI: 10.1080/15421406.2014.940569

17. Linhua Xu, Xiangyin Li. Influence of Fe-doping on the structural and optical properties of ZnO thin films prepared by sol-gel method // J. Cryst. Growth. 2010. V. 312, N 6. P. 851—855. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2009.12.062

18. Sonet Kumar Saha, Azizar Rahman M., Sarkar M. R. H., Shahjahan M., Khan M. K. R. Effect of Co doping on structural, optical, electrical and thermal properties of nanostructured ZnO thin films // J. Semicond. 2015. V. 36, N 3. P. 033004. DOI: 10.1088/1674-4926/36/3/033004

19. Hassan M. M., Khan W., Naqvi A. H., Mishra P., Islam S. S. Fe dopants enhancing ethanol sensitivity of ZnO thin film deposited by RF magnetron sputtering // J. Mater. Sci. 2014. V. 49, N 18. P. 6248—6256. DOI: 10.1007/s10853-014-8349-2

20. Fei Gao, Xiao Yan Liu, Li Yun Zheng, Mei Xia Li, Yong Mei Bai, Juan Xie. Microstructure and optical properties of Fe-doped ZnO thin films prepared by DC magnetron sputtering // J. Cryst. Growth. 2013. V. 371. P. 126—129. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.02.027

21. Srivastava A., Kumar N., Khare S. Enhancement in UV emission and band gap by Fe doping in ZnO thin films // Opto-Electron. Rev. 2014. V. 22, N 1. P. 68—76. DOI: 10.2478/s11772-014-0179-x

22. Lmai F., Moubah R., El Amiri A., Abid Y., Soumahoro I., Hassanain N., Colis S., Schmerber G., Dinia A., Lassri H. Spin wave study and optical properties in Fe-doped ZnO thin films prepared by spray pyrolysis technique // Opt. Mater. 2016. V. 57. P. 28—33. DOI: 10.1016/j.optmat.2016.04.009

23. Xiaojuan Wu, Zhiqiang Wei, Lingling Zhang, Xuan Wang, Hua Yang, Jinlong Jiang. Optical and magnetic properties of Fe doped ZnO nanoparticles obtained by hydrothermal synthesis // J. Nanomater. 2014. V. 2014. P. 792102. DOI: 10.1155/2014/792102

24. Awawdeh M. A., Al-Heuseen K., Odeh I. M. One step synthesis of Fe-doped ZnO thin films by a convenient electrochemical technique at room temperature // Jordan J. Phys. 2014. V. 7, N 2. P. 53—63.

25. Zegadi C., Abderrahmane A., Djelloul A., Hamzaoui S., Adnane M., Chaumont D., Abdelkebir K. Effects on structural and electro-optical properties of iron incorporation to p-zinc oxide (ZnO) thin films deposited by dip-coating process // Int. Rev. Phys. 2015. V. 9, N 2. P. 39—45.

26. Alver U., Kılınç T., Bacaksiz E., Nezir S. Structural and optical properties of Zn1-xFexO thin films prepared by ultrasonic spray pyrolysis // Mater. Sci. Eng.: B. 2007. V. 138, N 1. P. 74—77. DOI: 10.1016/j.mseb.2007.01.026

27. Rambu A. P., Nica V., Dobromir M. Influence of Fe-doping on the optical and electrical properties of ZnO films // Superlattices Microstruct. 2013. V. 59. P. 87—96. DOI: 10.1016/j.spmi.2013.03.023

28. Shakti N., Gupta P. S. Structural and optical properties of sol-gel prepared ZnO thin film // Appl. Phys. Res. 2010. V. 2, N 1. P. 19—28. DOI: 10.5539/apr.v2n1p19

29. Mehedi Hassan M., Wasi Khan, Ameer Azam, Naqvi A. H. Effect of size reduction on structural and optical properties of ZnO matrix due to successive doping of Fe ions // J. Lumin. 2014. V. 145. P. 160—166. DOI: 10.1016/j.jlumin.2013.06.024

30. Ilican S., Caglar M., Caglar Y. Determination of the thickness and optical constants of transparent indium-doped ZnO thin films by the envelope method // Mater. Sci.-Pol. 2007. V. 25, N 3. P. 709—718.

31. Baik J. M., Kang T. W., Lee J. L. Effects of N2O plasma treatment on magnetic properties of (Zn, Mn) O nanorods // Nanotechnology. 2007. V. 18, N 9. P. 095703. DOI: 10.1088/0957-4484/18/9/095703

32. Bundesmann C., Ashkenov N., Schubert M., Spemann D., Butz T., Kaidashev E. M., Lorenz M., Grundmann M. Raman scattering in ZnO thin films doped with Fe, Sb, Al, Ga, and Li // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83, N 10. P. 1974—1976. DOI: 10.1063/1.1609251

33. Wang J. B., Huang G. J., Zhong X. L., Sun L. Z., Zhou Y. C., Liu E. H. Raman scattering and high temperature ferromagnetism of Mn-doped ZnO nanoparticles // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88, N 25. P. 252502. DOI: 10.1063/1.2208564

34. Singh P., Kaushal A., Kaur D. Mn-doped ZnO nanocrystalline thin films prepared by ultrasonic spray pyrolysis // J. Alloy. Compd. 2009. V. 471, N 1–2. P. 11—15. DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.03.123

35. Major S., Kumar S., Bhatnagar M., Chopra K. L. Effect of hydrogen plasma treatment on transparent conducting oxides // Appl. Phys. Lett. 1986. V. 49, N 7. P. 394—396. DOI: 10.1063/1.97598

36. Islam M. N., Ghosh T. B., Chopra K. L., Acharya H. N. XPS and X-ray diffraction studies of aluminum-doped zinc oxide transparent conducting films // Thin Solid Films. 1996. V. 280, N 1–2. P. 20—25. DOI: 10.1016/0040-6090(95)08239-5

37. Fan J. C. C., Goodenough J. B. X-ray photoemission spectroscopy studies of Sn-doped indium-oxide films // J. Appl. Phys. 1977. V. 48, N 8. P. 3524—3531. DOI: 10.1063/1.324149

38. Wagner C. D., Riggs W. M., Davis L. E., Moulder J. F., Muilenverg G. E. Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy. Eden Prairie (Minnesota, USA): Perkin Elmer, 1979. 260 p. DOI: 10.1002/sia.740030412

39. Karamat S., Rawat R. S., Lee P., Tan T. L., Ramanujan R. V. Structural, elemental, optical and magnetic study of Fe doped ZnO and impurity phase formation // Prog. Nat. Sci.: Mater. Int. 2014. V. 24, N 2. P. 142—149. DOI: 10.1016/j.pnsc.2014.03.009

40. Raja K., Ramesh P. S., Geetha D. Structural, FTIR and photoluminescence studies of Fe doped ZnO nanopowder by co-precipitation method // Spectrochem. Acta A: Mol. Biomol. Spectrosc. 2014. V. 131. P. 183—188. DOI: 10.1016/j.saa.2014.03.047

41. Muneer M. Ba-Abbad, Abdul Amir H. Kadhum, Abu Bakar Mohamad, Mohd S. Takriffand Kamaruzzaman Sopian. The effect of process parameters on the size of ZnO nanoparticles synthesized via the sol-gel technique // J. Alloy. Compd. 2013. V. 550. P. 63—70. DOI: 10.1016/j.jallcom.2012.09.076

42. Mitra P., Mondal S. Structural and morphological characterization of ZnO thin films synthesized by successive ion layer adsorption and reaction // Prog. Theor. Appl. Phys. 2013. V. 1. P. 17—31.

43. Salaken S. M., Farzana E., Podder J. Effect of Fe doping on the structural and optical properties of ZnO thin films prepared by spray pyrolysis // J. Semicond. 2013. V. 34, N 7. P. 1—6. DOI: 10.1088/1674-4926/34/7/073003

44. Soumahoro I., Moubah R., Schmerder G., Colis S., Ait Aouraj M., Abd-lefil M., Hassanain N., Berrada A., Dinia A. Structural, optical, and magnetic properties of Fe-doped ZnO films prepared by spray pyrolysis method // Thin Solid Films. 2010. V. 518, N 16. P. 4593—4596. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.12.039

45. Parra-Palomino A., Perales-Perez O., Singhal R., Tomar M., Jinwoo Hwang, Voyles P. M. Structural, optical, and magnetic characterization of monodisperse Fe-doped ZnO nanocrystals // J. Appl. Phys. 2008. V. 103, N 7. P. 07D121. DOI: 10.1063/1.2834705

46. Gotkas A., Mutlu I. H., Yamada Y. Influence of Fe-doping on the structural, optical, and magnetic properties of ZnO thin films prepared by sol-gel method // Superlattices Microstruct. 2013. V. 57. P. 139—149. DOI: 10.1016/j.spmi.2013.02.010

47. Shan W., Walukiewicz W., Ager J. W., Yu K. M., Yuan H. B., Xin H. P., Cantwell G., Song J. J. Nature of room-temperature photoluminescence in ZnO // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 86, N 19. P. 191911—191913. DOI: 10.1063/1.1923757

48. Uma K., Ananthakumar S., Mangalaraja R. V., Mahesh K. P. O., Soga T., Jimbo T. A facile approach to hexagonal ZnO nanorod assembly // J. Sol.-Gel Sci. Technol. 2009. V. 49, N 1. P. 1—5. DOI: 10.1007/s10971-008-1846-5

49. Chen A. J., Wu X. M., Sha Z. D., Zhuge L. J., Meng Y. D. Structure and photoluminescence properties of Fe-doped ZnO thin films // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39, N 22. P. 4762—4765. DOI: 10.1088/0022-3727/39/22/004

50. Il’ves V. G., Sokovnin S. Yu., Murzakaev A. M. Influence of Fe-doping on the structural and magnetic properties of ZnO nanopowders, produced by the method of pulsed electron beam evaporation // J. Nanotechnol. 2016. V. 2016, p. 8281247. DOI: 10.1155/2016/8281247