Термовольтаический отклик в двухслойных тонкопленочных структурах на основе оксида цинка

Предложена методика измерения термовольтаического эффекта в гетерогенных средах с градиентным распределением концентрации легирующей примеси, приводящей к градиентному распределению концентрации носителей заряда. Образцы оксида цинка, легированного железом, были получены методом ионно-лучевого напыления на подложки тонкой фольги тантала (для измерения термовольтаического эффекта), ситалла (для измерения эффекта Холла) и кремния (для исследования структуры). Содержание легирующей примеси в образцах х_Fe изменялось от 0,34 до 4,18 % (ат.). Исследования методом рентгеноструктурного фазового анализа показали, что для всех образцов характерна кристаллическая структура гексагонального оксида цинка. Пленки являются преимущественно ориентированными в направлении [002]. Концентрация носителей заряда в слоях экспериментальных образцов, определенная с помощью эффекта Холла на установке ECOPIA 5500 в постоянном магнитном поле с напряжённостью 0,5 Тл, изменялась в пределах 10¹⁶—10²⁰ см^-3. Образцы имели электронный тип проводимости. Для исследования термовольтаического эффекта синтезированы двухслойные образцы оксида цинка, легированные железом и имеющие разную концентрацию носителей заряда. На примере двухслойных тонкопленочных образцов на основе оксида цинка с различным содержанием легирующей примеси железа с применением предложенной методики исследован термовольтаический эффект. Установлено, что наибольшее значение термовольтаического отклика (U ~ 80 мкВ) наблюдается в двухслойном тонкопленочном образце с большей разницей концентрации носителей заряда между слоями (Δn ≈2·10³ см^-3). Наблюдаемое насыщение термовольтаического отклика связывается с достижением динамического равновесия между процессами диффузии носителей заряда от слоя с высокой концентрацией носителей к слою с низкой и процессом дрейфа носителей за счет внутреннего электрического поля.

1. Пронин И.А., Аверин И.А., Божинова А.С., Георгиева А.Ц., Димитров Д.Ц., Карманов А.А., Мошников В.А., Папазова К.И., Теруков Е.И., Якушова Н.Д. Термовольтаический эффект в оксиде цинка, неоднородно легированном примесями с переменной валентностью. Письма в Журнал технической физики. 2015; 41(19): 22—28. https://journals.ioffe.ru/articles/42354

2. Takahashi T., Yamada O. Mechanism of voltage generation during phase change of FeS single crystals. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1976; 37(2): 161-165. https://doi.org/10.1016/0038-1098(75)90510-4

3. Пронин И.А., Якушова Н.Д., Димитров Д.Ц., Крастева Л.К., Папазова К.И., Карманов А.А., Аверин И.А., Георгиева А.Ц., Мошников В.А., Теруков Е.И. Новый тип газовых сенсоров на основе термовольтаического эффекта в оксиде цинка, неоднородно легированном примесями переменной валентности. Письма в журнал технической физики. 2017; 43(18): 11—16. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.18.45028.16754

4. Каминский В.В., Соловьёв С.М., Судак Н.М., Залдастанишвили М.И. Обнаружение термовольтаического эффекта в гетероструктуре на основе теллурида свинца. Письма в журнал технической физики. 2020; (1): 52. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.01.48866.17834

5. Каминский В.В., Казанин В.В. Термовольтаический эффект в тонкопленочных структурах на основе сульфида самария. Письма в журнал технической физики. 2008; (8): 92—94. https://journals.ioffe.ru/articles/12044

6. Каминский В.В., Соловьёв С.М. Возникновение электродвижущей силы при изменении валентности ионов самария в процессе фазового перехода в монокристаллах SmS. Физика твердого тела. 2001; 43(3): 423—426. https://journals.ioffe.ru/articles/38082

7. Каминский В.В., Казанин М.М., Соловьёв С.М., Голубков А.В. Термовольтаический эффект в гетероструктурах на основе сульфида самария с составом Sm1-xEuxS. Журнал технической физики. 2012; (6): 142—144. https://journals.ioffe.ru/articles/10636.

8. Егоров В.М., Каминский В.В. Эндотермический эффект при нагревании полупроводникового сульфида самария. Физика твердого тела. 2009; 51(8): 1521—1522. https://journals.ioffe.ru/articles/2352

9. Каминский В.В., Васильев Л.Н., Романова М.В., Соловьев С.М. Механизм возникновения электродвижущей силы при нагревании кристаллов SmS. Физика твердого тела. 2001; 43(6): 997—999. https://journals.ioffe.ru/articles/38191

10. Каминский В.В., Дидик В.А., Казанин М.М., Романова М.В., Соловьёв С.М. Термовольтаический эффект в поликристаллическом SmS. Письма в журнал технической физики. 2009; 35(21): 16—22. https://journals.ioffe.ru/articles/14013

11. Гревцев М.А., Казаков С.А., Казанин М.М., Каминский В.В. Электрические характеристики термовольтаического элемента на основе сульфида самария. Журнал технической физики. 2020; 90(10): 1739—1740. https://doi.org/10.21883/JTF.2020.10.49807.247-19

12. Грошев И., Полухин И. Сульфид самария и новейшие разработки на его основе. Компоненты и технологии. 2014; (8): 126—133. https://www.elibrary.ru/item.asp?id = 21884102

13. Пат.2303834 (РФ). Термоэлектрический генератор (варианты) и способы изготовления термоэлектрического генератора / Каминский В.В., Голубков А.В., Казанин М.М., Павлов И.В., Соловьев С.М., Шаренкова Н.В., 2007. https://rusneb.ru/catalog/000224_000128_0002303834_20070727_C2_RU/

14. Fedotov A.K., Pashkevich A.V., Fedotova J.A., Fedotov A.S., Kołtunowicz T.N., Zukowski P., Ali Arash Ronassi, Fedotova V.V., Svito I.A., Budzyński M. Electron transport and thermoelectric properties of ZnO ceramics doped with Fe. J. Alloys Compds. 2021; 854: 156169. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156169

15. Федотов А.К., Пашкевич А.В., Ховайло В.В., Харченко А.А., Подденежный Е.Н., Близнюк Л.А., Федотова В.В. Электрические и термоэлектрические свойства керамик на основе ZnO, легированных железом и кобальтом. Российские нанотехнологии. 2021; (16): 117—125. https://doi.org/10.1134/S1992722321030043

16. Winarski D. Synthesis and characterization of transparent conductive zinc oxide thin films by sol-gel spin coating method. Thesis diss. of master science. Graduate College of Bowling Green State University; 2015.

17. Семикина Т.В., Комащенко В.Н., Шмырева Л.Н. Оксидная электроника как одно из направлений прозрачной электроники. Электроника и связь. Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии». 2010; (3): 20—28. https://www.researchgate.net/publication/338347890_KPI-transpelectr-2010_3_20_28

18. Hjiria M., El Mir L., Leonardi S.G., Pistone A. Al-doped ZnO for highly sensitive CO gas sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014; 196: 413—420. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.01.068

19. Hosono H., Ueda K. Transparent Conductive Oxides. Springer, Cham., 2017: 42—51. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9_58

20. Ong C.B., Ng L.Y., Mohammad A.W. A review of ZnO nanoparticles as solar photocatalysts: Synthesis, mechanisms and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018; 81(1): 536—551. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.08.020

21. Deng H., Russell J.J., Lamb R.N., Jiang B. Microstructure control of ZnO thin films prepared by single source chemical vapor deposition. Thin Solid Films. 2004; 458(1): 43—46. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2003.11.288

22. Shinagawa T., Otomo S., Katayama J.-I. Electroless deposition of transparent conducting and (0001)-oriented ZnO films from aqueous solutions. Electrochemica Acta. 2007; 53: 1170—1174. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.03.056

23. Heo Y.W., Norton D.P., Pearton S.J. Origin of green luminescence in ZnO thin film grown by molecular-beam epitaxy. J. Appl. Phys. 2005; 98: 73—81. https://doi.org/10.1063/1.2064308

24. Liu T.Q., Sakurai O., Mizutani N., Kato M. Preparation of spherical fine ZnO particles by the spray pyrolysis method using ultrasonic atomization techniques. J. Mater Science. 1986; 21(10): 3698—3702. https://doi.org/10.1007/BF02403024

25. Бураков В.С., Тарасенко Н.В., Невар Е.А., Неделько М.И. Морфология и оптические свойства наноструктур оксида цинка, синтезированных методами термического и электроразрядного распыления. Журнал технической физики. 2011; 81(2): 89—97. https://journals.ioffe.ru/articles/10229

26. Несветаев Д.Г., Кайдашев Е.М., Пузиков А.С. Импульсное лазерное напыление ZnO наноструктур. Инженерный вестник Дона. 2013; (4): 50—55.

27. Залесский В.Б., Леонова Т.Р., Гончарова О.В., Викторов И.А., Гременок В.Ф., Зарецкая Е.П. Получение тонких пленок оксида цинка методом реактивного магнетронного распыления и исследование их электрических и оптических характеристик. Рhysics and chemistry of solid state. 2005; 6(1): 44—49.

28. Жилин Д.А., Лянгузов Н.В., Кайдашев Е.М. УФ фотоприемник на основе наностержней и пленок оксида цинка. Инженерный вестник Дона. 2013; (4): 55—60. https://elibrary.ru/item.asp?id = 21452146

29. Самофалова Т.В., Семенов В.Н. Осаждение тонких слоев сульфида цинка из тиомочевинных комплексов и их свойства. Конденсированные среды и межфазные границы; 2016; 18(2): 248—255. https://journals.vsu.ru/kcmf/article/view/131

30. Лашкова Н.А., Максимов А.И., Матюшкин Л.Б., Мошников В.А., Рябко А.А., Сомов П.А., Туленин С.С. Локальные электрофизические свойства проводящих пленок ZnO. Бутлеровские сообщения. 2015; 42(6): 48—53. http://foundation.butlerov.com/bh-2015

31. Гриднев С.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Стогней О.В. Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах. М.: Бином, Лаборатория знаний; 2012. 352 с.

32. Ситников А.В., Макагонов В.А., Калинин Ю.Е., Кущев С.Б., Фошин В.А. Структура и электрические свойства тонкопленочных композитов Con(CoO)100-n. Журнал технической физики. 2023; 93(11): 1663—1672. http://dx.doi.org/10.61011/JTF.2023.11.56499.137-23

33. Kanchana S., Chithra M. J., E. Suhashini, Pushpanathan K. Violet emission from Fe doped ZnO nanoparticles synthesized by precipitation method. Journal of Luminescence. 2016; 76: 6—14. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.12.047

34. Pashkevich A.V., Fedotov A.K., Poddenezhny E.N., Bliznyuk L.A., Fedotova J.A., Basov N.A., Kharchanka A.A., Zukowski P., Koltunowicz T.N., Korolik O.V., Fedotova V.V. Structure, electric and thermoelectric properties of binary ZnO-based ceramics doped with Fe and Co. Journal of Alloys and Compounds. 2022; 895(Pt 2): 162621. doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162621