In Situ Tieftemperatur-Chemiebadabscheidung von CDs-Dünnfilmen ohne Dickenbegrenzung: Strukturelle und optische Eigenschaften

Abstract

In dieser Arbeit wurden dünne CDs-Filme mit der Chemical Bath Deposition Technique (CBD) abgeschieden. Verschiedene Syntheseparameter wie Anzahl der Durchläufe, Abscheidungszeit und Nachglühtemperatur werden untersucht und optimiert, um das Übersättigungsphänomen zu vermeiden und ein Wachstum bei niedriger Temperatur zu erreichen. CDs-Dünnfilme mit kubischer Struktur, die entlang der (111) -Richtung mit homogener und glatter Oberfläche ausgerichtet sind, wurden unter Verwendung des CBD-Wachstumsprozesses ohne Glühbehandlung abgeschieden. Basierend auf einer Reihe experimenteller Beobachtungen zeigen wir, dass das Phänomen der Lösungssättigung vermieden werden kann, wenn die Abscheidung in mehreren Durchläufen bei kurzer Abscheidungszeit durchgeführt wird. Während der gesamten CBD-Technik ist es dann möglich, nicht nur jede Schichtdickenbegrenzung zu überwinden, sondern die CDs-Filme auch in einem einzigen technologischen Schritt bei niedriger Temperatur und ohne Nachabscheideglühbehandlung zu züchten. CDs-Filme mit ausgezeichneter struktureller Qualität und kontrollierbarer Dicke werden erhalten, wenn die Abscheidebadtemperatur auf 65 ° C festgelegt wird. Darüber hinaus zeigen abgeschiedene Filme eine optische Transmission im Bereich von 70 bis 95% in Abhängigkeit von den Syntheseparametern mit einer Bandlückenenergie um 2,42 eV. Das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren könnte nützlich sein, um CDs-Filme auf flexiblen Substraten abzuscheiden.

1. Einleitung

Dünne Halbleiterfilme zeigen ein großes Potenzial für die Klima- und energiebezogenen Anwendungen wegen ihrer reichlichen einzigartigen Eigenschaften. Unter diesen Filmen haben die CDs-Filme aufgrund ihrer einzigartigen optoelektronischen Eigenschaften, die eine große direkte Bandlücke (2,42 eV bei Raumtemperatur), ausgezeichnete optische und elektronische Eigenschaften und eine hohe chemische Stabilität umfassen, die Aufmerksamkeit der Forschungsgemeinschaft auf sich gezogen . Darüber hinaus ist die CDs-Verbindung einer der am besten geeigneten Partner für Heterojunction-Solarzellen als Fensterschicht, wenn sie in Verbindung mit Absorberschichten wie Cadmium-Tellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid / Sulfid (CIGS), Kesteriten (CZTS) oder Perowskiten als Elektronentransportschicht verwendet wird . CDs hat auch mögliche Anwendungen auf einigen Gebieten, wie Photokatalyse, Laser, Leuchtdioden und Feldeffekttransistoren.

CDs-Dünnfilme können unter Verwendung mehrerer Abscheidungstechniken durch verschiedene physikalische und chemische Methoden wie Molekularstrahlepitaxie (MBE), Sputtern, thermische Verdampfung, Sprühpyrolyse, chemische Badabscheidung, aufeinanderfolgende Adsorption und Reaktion der Ionenschicht und galvanische Abscheidung synthetisiert werden . Unter diesen Techniken ist die chemische Badabscheidung (CBD) eine einfache und kostengünstige Methode, mit der gleichmäßige und haftende großflächige Filme hergestellt werden können . Im Folgenden wurde diese Methode angewendet, um die in dieser Studie vorgestellten CDs-Dünnfilme herzustellen. Nach früheren Arbeiten hängt die Qualität von CDs-Dünnfilmen, die mit der CBD-Technik hergestellt werden, stark von verschiedenen Syntheseparametern wie der Abscheidezeit, der Bad- und Glühtemperatur , dem Ammoniakmittelkomplex und den Konzentrationen der chemischen Reagenzien ab.

Leider treten bei der Synthese von CDs-Dünnfilmen durch CBD im Allgemeinen zwei Hauptprobleme auf: (i) die Nachglühbehandlung, die ein klassischer wesentlicher Schritt zur Verbesserung der Filmkristallinität ist, induziert normalerweise eine starke thermische Cd-Diffusion und verhindert, dass die CDs-Abscheidung auf flexible Substrate ausgedehnt wird , und (ii) die Filmdickenbegrenzung, die dem Phänomen der Lösungsübersättigung zugeschrieben wird . Um diese Probleme zu überwinden, wurde der Syntheseprozess in mehreren Durchläufen durchgeführt. Basierend auf experimentellen Messungen zeigen wir, dass die “Anzahl der Durchläufe” ein Schlüsselparameter ist, der die strukturellen, optischen und morphologischen Eigenschaften der synthetisierten CDs-Dünnschichten stark beeinflusst. Im Vergleich zu vielen berichteten Arbeiten zeigen die erhaltenen experimentellen Ergebnisse, dass es möglich ist, eine gewünschte Schichtdicke nur durch Steuerung der Anzahl der Zyklen und / oder der Abscheidezeit zu erreichen. Wenn diese beiden Parameter optimiert werden, kann folglich das in der Literatur beobachtete Problem der Übersättigung der Lösung vermieden werden. Darüber hinaus und im Gegensatz zu den berichteten Arbeiten ermöglicht diese Technik das Wachsen von In-situ-Filmen in einem einzigen technologischen Schritt bei niedriger Temperatur und ohne Nachabscheidungsglühbehandlung. Daher wird das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren als relevanter Kandidat für die Abscheidung von CDs-Filmen auf flexiblen Substraten angesehen, die in eingebetteten elektronischen Systemen verwendet werden.

2. Experimentelles Detail

Die in dieser Studie verwendeten dünnen Filme werden durch heterogene Reaktion auf einem Glassubstrat von 25 mm × 15 mm mit CBD-Technik gezüchtet. Zwei Lösungen mit den Namen A und B wurden zunächst getrennt hergestellt. Lösung A, die als Cadmiumquelle betrachtet wird, wird durch Mischen von 10-2 M CdCl2 und 3,6 × 10-2 M NH4Cl erhalten, während Lösung B, die als Schwefelquelle betrachtet wird, die Mischung von 1,7 × 10-2 SC (NH2) 2 und 3,6 × 10-2 M NH4Cl ist. Beide Mischungen wurden in Wasserlösungsmittel bei Raumtemperatur hergestellt. Sie werden dann einzeln bei 45 ° C in einem Wasserbad erhitzt, bis sie transparent werden, dann unter kontinuierlichem Magnetrührer (300-400 U / min) gemischt, um Lösung C zu erhalten. Vor der Abscheidung wurden die Glassubstrate in Aceton und Ethanol ultraschallgereinigt, in destilliertem Wasser gespült, an Luft getrocknet und anschließend mit Hilfe von Plexiglashaltern vertikal in Lösung C eingetaucht. Unsere Abscheidungsmethode besteht darin, die Temperatur des chemischen Bades (Lösung C) und des Substrats auf einem geeigneten Wert (65 ° C ± 3 ° C) zu stabilisieren und dann das Ammoniak tropfenweise zuzugeben, um den pH-Wert bei ungefähr 10 zu halten. Gleich danach wechselt die Lösungsfarbe von transparent zu orange und zeigt den Beginn des Haarwachstums an. Nach einer entsprechenden Abscheidezeit ist der erste Durchlauf erreicht. Die aufeinanderfolgenden Läufe wurden unter den gleichen Bedingungen wie der erste durchgeführt. Es ist anzumerken, dass die wachsenden Filme zwischen zwei aufeinanderfolgenden Läufen keiner thermischen Pyrolyse- oder Nachglühbehandlung unterzogen werden, sondern nur einer Ultraschallbehandlung unterzogen werden, um die schlecht anhaftenden CDs-Partikel auf ihrer Oberfläche zu entfernen, und dann an der Luft getrocknet werden. Die Herstellungsbedingungen von geglühten CDs-Dünnschichten sind in Tabelle 1 dargestellt. Nach dem Präparationsschritt wird die Filmstruktur mit dem Röntgendiffraktometer PANalytical X’Pert Pro unter Verwendung einer CuKa-Strahlungsquelle (1,5406 Å) bestimmt. Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt an EDS (Quanten 200) wird verwendet, um die Oberflächenmorphologie zu beobachten und die chemische Zusammensetzungsanalyse der Filme durchzuführen. Die optische Transmission wird bei Raumtemperatur mit dem PerkinElmer-Spektralphotometer Lambda 900 im Bereich von 300-1100 nm gemessen.

3. Ergebnisse und Diskussionen

In der chemischen Badabscheidung ist das Ammoniak ein Komplexbildner, der die Freisetzung von Metall− (Cd2+) und Schwefel-(S2-) Ionen in der alkalischen Lösung steuert. Der klassische Wachstumsmechanismus kann durch die folgenden chemischen Reaktionen zusammengefasst werden : (1) Die Lösung des Amino-Cadmium-Komplexgleichgewichts: Die Bildung von verhindert die Ausfällung von .(2) Hydrolyse von Thioharnstoff in alkalischem Medium:wobei SH- Ionen mit Wasser im Gleichgewicht sind und S2− Ionen gemäß dieser Gleichung ergeben: (3)Cadmiumsulfidbildung:

Die globale Reaktion der CDs-Bildung kann als

3.1 zusammengefasst werden. Strukturanalyse

Abbildung 1 zeigt die XRD-Muster von CDs-Dünnfilmen, die in mehreren Durchläufen (1-5 Durchläufe) zu unterschiedlichen Abscheidungszeiten (1-15 min) abgeschieden wurden. Jede Abscheidung ist durch die Anzahl der Durchläufe und die Abscheidezeit jedes Durchlaufs gekennzeichnet. Nur der Peak bei 2θ gleich 26,81 °, entsprechend dem (111) Plan der CDs-kubischen Struktur, wird für alle Filme beobachtet. Es ist offensichtlich, dass die Intensität des beobachteten Peaks stark von der Anzahl der Durchläufe und/oder der Abscheidezeit abhängt. Die höchste Intensität wird aufgezeichnet, wenn der Prozess in 5 Durchläufen von 5 min durchgeführt wird. Um dies zu verbessern, wird die Variation der Kristallqualität als Funktion dieser beiden Parameter anhand des Kristallverhältnisses (R) untersucht, das durch die folgende Gleichung definiert ist: Wobei die (111) Peakintensität bei einer gegebenen Anzahl von Durchläufen und Abscheidungszeit und die niedrigste (111) Peakintensität ist, die für die Probe erhalten wird, die in einem einzigen Durchlauf während einer Minute synthetisiert wurde.

Die aus Abbildung 1 abgeleitete Variation des kristallinen Verhältnisses () in Abhängigkeit von der Anzahl der Durchläufe und der Abscheidezeit ist in Abbildung 2 (a) dargestellt. Es zeigt sich deutlich, dass unabhängig von der Abscheidezeit alle in nur einem Durchlauf abgeschiedenen CDs-Filme niedrige kristalline Verhältnisse aufweisen, was auf die schlechte Kristallinität der Filme hinweist. Dieses Verhalten ist auf die amorphe Struktur des Glassubstrats zurückzuführen. Die Abbildung zeigt jedoch auch, dass die (111) Spitzenintensität jeder Probe schnell zunimmt, wenn die Anzahl der Durchläufe erhöht wird. Die beobachtete Verbesserung der Filmkristallinität ist zurückzuführen auf (i) die Erhöhung der Materialmenge mit zunehmender Auflagenzahl und/oder (ii) die Abscheidung auf eine bereits kristallisierte Pufferschicht. Was die Achse “Abscheidungszeit” betrifft, können in Abbildung 2 (a) offensichtlich zwei Bereiche unterschieden werden: (i) Ein kolloidaler Lösungszustandsbereich wird beobachtet, wenn die Abscheidungszeit weniger als 5 min beträgt, in dem die CDs-Dünnfilme während eines Keimbildungswachstumsmechanismus gebildet werden . Tatsächlich werden unmittelbar nach der Zugabe von Ammoniak zunächst Kerne auf der Substratoberfläche gebildet, dann durch Diffusion gezüchtet und schließlich eng adsorbiert, um den Film zu bilden (siehe Abbildung 2 (b)). In diesem Bereich wird eine Erhöhung des kristallinen Verhältnisses mit zunehmender Abscheidezeit bis zu 5 min beobachtet, was die optimale Abscheidezeit darstellt. Dieses Verhalten wurde auch von vielen Autoren berichtet . (ii) Ein kolloidaler Niederschlagszustandsbereich findet statt, wenn die Abscheidungszeit 5 min überschreitet. Es wird durch das Auftreten des Lösungsübersättigungsphänomens initiiert, bei dem ausgefallene Partikel relativ zum wachsenden Film pulverisieren (siehe Abbildung 2 (c)), was zu einer Verringerung sowohl der Filmdicke als auch des kristallinen Verhältnisses führt, wie experimentell beobachtet. Ein ähnliches Verhalten wurde von Tec-Yam et al. . Basierend auf diesen Ergebnissen können wir feststellen, dass die Abscheidung in aufeinanderfolgenden Läufen mit einer Abscheidungszeit von weniger oder gleich 5 min bevorzugt wird, um das Phänomen der Lösungsübersättigung zu vermeiden. Gemäß Abbildung 2 (a) wird 5 min als die optimale Abscheidungszeit angesehen, die die Bildung von CDs-Schichten mit der besten Kristallinität ermöglicht.

Abbildung 2

( a) Variation des kristallinen Verhältnisses in Abhängigkeit von Durchlaufzahl und Abscheidezeit. Schematische Darstellung der Wachstumszustände: (b) der kolloidale Lösungszustand und (c) der kolloidale Niederschlagszustand.

Abbildung 3 (a) zeigt XRD-Muster, die den abgeschiedenen (Probe A) und geglühten CDs-Dünnfilmen in Luftatmosphäre (Proben: B, C, D und E) während 1 Stunde entsprechen. Ein hochintensiver einzelner Peak bei 26,55 ° wird gleichzeitig für den abgeschiedenen Film beobachtet und auch für geglühte bei Temperaturen kleiner oder gleich 400 ° C. Im Allgemeinen kann diese atomare Position auf die hexagonale oder kubische Struktur der CDs-Phase zurückgeführt werden. Verglichen mit der JCPDS-Kartennummer 80-0019 und wie von Mahdi et al. Das Fehlen von (100) und (101) Peaks im Muster (Abbildung 1(a)) bestätigt die Bildung einer (111) -orientierten CDs-kubischen Struktur. Wie in Abbildung 3 (b) dargestellt, wird nur ein geringfügiger Anstieg der (111) -Intensität bemerkt, wenn die Temperatur auf 400 ° C erhöht wird. Dies deutet darauf hin, dass die Kristallisation des abgeschiedenen Films während der gesamten Oberflächenreaktionskinetik der Cd2 + − und S2- Ionen unter der Wirkung von Badtemperatur und Substrat, das bei 65 ° C gehalten wird, erreicht wird. Im Gegensatz dazu zeigt der bei einer Temperatur von 550 ° C geglühte Film eine dramatische Verringerung der CDs (111) -Intensität und das Auftreten anderer Hauptpeaks, die sich an den Positionen von 32,83 ° und 38,07 ° befinden. Im Vergleich zur JCPDS-Kartennummer 78-0653 weisen die beiden späteren Peaks auf die Bildung von CdO-Phasen hin, die der CDs-Oxidation zugeschrieben werden. Diese Oxidation fand statt, weil das Glühen in Sauerstoffumgebung durchgeführt wurde . Anschließend können wir feststellen, dass die Glühbehandlung die Kristallinität leicht verbessert, wenn die Temperatur unter 400 ° C liegt; dennoch wird es destruktiv und führt zur Bildung anderer Phasen, wenn die Temperatur über 400 ° C liegt.

Gemäß den XRD-Daten des CDs (111) -Plans kann die Kristallitgröße nach folgender Scherrer-Formel berechnet werden: wobei (1,5406 Å) die Röntgenwellenlänge, der Bragg-Winkel und die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) des Beugungspeaks im Bogenmaß ist. Abbildung 3(c) zeigt die Variation des CDs-Kristalli-tes mit der Glühtemperatur. Keine bemerkenswerte Änderung der mittleren Kristallitgröße (ca. 30 nm) wird beobachtet, wenn die Glühtemperatur auf 400 ° C erhöht wird. Währenddessen zeigt die Probe E, die bei 550 ° C geglüht wird, eine sehr kleine Kristallitgröße, was auf ein drastisches Zersetzungsphänomen von CDs in die CdO-Phase hinweist. Diese Beobachtungen zeigen deutlich, dass unser Verfahren es erlaubt, CDs-Filme mit guter Kristallinität ohne nachfolgende Glühbehandlung abzuscheiden. Somit ist es dann möglich, die CDs-Abscheidung bei einer niedrigeren Temperatur auf Substraten, auch solchen, die bei hohen Temperaturen instabil sind, insbesondere den flexiblen, zu bewerkstelligen.

3.2. Morphologische Untersuchung

Um den Effekt des Glühens auf die morphologischen Eigenschaften von CDs-Dünnschichten zu untersuchen, zeigt Abbildung 4 die Oberflächen-REM-Mikroskopaufnahmen der Proben A (Abbildung 4 (a)) und D (Abbildung 4(b)). In beiden Proben bedecken homogene Verteilungen nanometrischer Körner gleichmäßig die Oberflächen. Körner sind glatt und dicht, und keine offensichtliche morphologische Änderung wird vor und nach der Ausglühenbehandlung beobachtet.

( a)

( b)

( a)
(b)

Abbildung 4

REM-Aufnahmen von CDs-Dünnfilmen: (a) wie abgeschieden (Probe A) und (b) bei 400 ° C geglüht (Probe D).

Abbildung 5 zeigt die REM-Mikroskopaufnahmen (a, b und c) und die Querschnittsansichten von CDs-Dünnfilmen, die bei verschiedenen Durchläufen (1, 3 und 5 Durchläufe) hergestellt wurden. Die erhaltene optimale Abscheidezeit von 5 min wurde gewählt. Die Aufnahmen zeigen dichte Strukturen und glatte und relativ hohlraumfreie Oberflächen. In jeder Probe sind die Körner gut definiert, kugelförmig und homogen bemessen. Es ist anzumerken, dass die Zunahme der Anzahl der Läufe keinen signifikanten Einfluss auf die Korngrößen hat. Inzwischen sind noch einige agglomerierte Partikel auf der Oberfläche zu beobachten; Diese Tatsache wird wahrscheinlich auf die leichte gesättigte Lösung am Ende der Abscheidungszeit (für jeden Lauf) zurückgeführt. Basierend auf den REM-Querschnittsbildern wurden die Schichtdickenwerte von 180, 320 und 580 nm für 1, 3 bzw. 5 Durchläufe gemessen. Diese letzten Werte liegen sehr nahe an denen aus Transmissionsspektren (Abbildung 6).

Abbildung 6

Variation der Schichtdicke in Abhängigkeit von der Anzahl der Durchläufe und der Abscheidezeit.

3.3. Energiedispersive Spektroskopie (EDS) -Analyse

Die Ergebnisse der EDS-Analyse der CDs-Struktur (Spektrum “a”) und der agglomerierten Partikel (Spektrum “b”) sind in Abbildung 7 dargestellt. Tabelle 2 gibt die durchschnittliche chemische Zusammensetzung (Gewicht und Atomprozent) der beiden Bereiche an. Es scheint, dass beide Bereiche aus Cd und S mit einigen zusätzlichen Peaks von Si, O, Al, Na und Mg bestehen, die den chemischen Elementen des Glassubstrats zugeschrieben werden. Es ist klar, dass der durchschnittliche Atomprozentsatz von S / Cd für beide untersuchten Zonen in einem nahezu stöchiometrischen Verhältnis von ungefähr 0,97 liegt.

( a)

( b)

( a)
(b)

Abbildung 7

EDS-Analyse der CDs-Struktur (Spektrum “a”) und des agglomerierten Partikels (Spektrum b).

3.4. Optische Charakterisierungen

3.4.1. Dicke Film Berechnung

Basierend auf, die dicke der filme () ist berechnet von die übertragung störungen fransen zwischen 530 und 1100 nm mit der folgenden gleichung: wo und sind die brechungsindizes entsprechend zwei benachbarten maxima (oder minima) bei wellenlängen von und, beziehungsweise.

für zwei benachbarte Extreme des Transmissionsspektrums (max–max oder min–min) und für zwei benachbarte Transmissionsextreme (max–min oder min–max) .

Der Brechungsindex () des Films über dem transparenten Bereich kann berechnet werden unter Verwendung von where ist der Brechungsindex des Substrats (in unserem Fall) und ist gegeben durch where und sind die Transmissionswerte an den Maxima und Minima der Interferenzränder und ist der Brechungsindex des Glassubstrats (). Die Brechungsindexwerte und des CDs-Dünnfilms (3 Läufe, 5 min) betragen 2,11 und 2,06.

3.4.2. Transmission, Dicke, optische Bandlücke und Absorption von CDs-Dünnfilmen

Abbildung 8 zeigt die optischen Transmissionsspektren von CDs-Dünnfilmen im Wellenlängenbereich 300-2000 nm. Die A-, B-, C-, D- und E-Proben sind im sichtbaren und nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums hochtransparent (~ 80%) und weisen einen scharfen Cut-off bei etwa 550 nm auf. Daher wird durch den Glühschritt keine zusätzliche Verbesserung der Filmtransmission erreicht. Die gemessenen mittleren Transmissionsgrade und Dicken der abgeschiedenen und der geglühten Folie sind in Tabelle 3 angegeben. Die hohe mittlere Transparenz (~ 80%) und die auftretenden Interferenzstreifen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich aller CDs-Filme (außer 550 ° C) bezeugen, dass das Licht weniger gestreut wird und die Filmoberflächen glatt und homogen sind mit einer sehr ähnlichen Dicke von etwa 254 nm . Wenn die getemperte Temperatur 550°C erreicht, werden wieder drastische Abnahmen der optischen Durchlässigkeit (70%) und der Dicke (219 nm) bemerkt. Wie oben durch XRD-Analyse aufgedeckt, werden die beobachteten Änderungen bei hoher Glühtemperatur auf die Zersetzung des CDs-Films in die CdO-Phase zurückgeführt.

Die optische Bandlücke () von CDs-Filmen wurde geschätzt, indem ein direkter Übergang zwischen Valenz- und Leitungsbändern aus der Darstellung von als Funktion der Photonenenergie gemäß dem Ausdruck angenommen wurdewo ist die Photonenenergie, ist der Absorptionskoeffizient und ist eine Konstante. wird durch Extrapolation des linearen Anteils des Spektrums auf Null Absorptionskoeffizienten bestimmt. Der Schnittpunkt auf der Energieachse gibt den Wert der Bandlückenenergie an. Wie aus Abbildung 8 hervorgeht, wird keine signifikante Änderung des optischen Bandlückenwerts (etwa 2,41 eV) zwischen den abgeschiedenen und getemperten Filmen (bis zu 400 ° C) beobachtet. Die Bandlückenenergie von 2,24 eV, die für den bei 550 ° C geglühten Film erhalten wurde, stimmt jedoch gut mit dem angegebenen Bandlückenwert von CdO überein.

Abbildung 9 zeigt die Transmissionsspektren in Wellenlängen von 300 bis 1100 nm von CDs Thins-Filmen, die bei verschiedenen Durchläufen und Abscheidungszeiten hergestellt wurden. Wenn die Anzahl der Durchläufe von 1 auf 5 erhöht wird, wird die durchschnittliche Transmission bei einer Wellenlänge größer als 500 nm von 55 auf 91%, 80 auf 94% und 74 auf 86% erhöht, wenn die Abscheidungszeiten 1 min betragen (Abbildung 9 (a)), 5 min (Abbildung 9 (b)) und 15 min (Abbildung 9 (c)). Die höchste optische Transmission (94%) wird registriert, wenn die Abscheidung in 4 Durchläufen von 5 min durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu zeigen alle CDs-Dünnfilme, die unabhängig von der Abscheidungszeit (1, 5 oder 15 min) abgeschieden werden, eine starke Transmissionsgeschwindigkeit im Bereich von 300-500 nm, was darauf hinweist, dass die Filme dünner mit einer schlechten Kristallinität sind . Variiert man jedoch die Anzahl der Läufe von 2 bis 5, so zeigen alle Spektren einen starken Abfall an der Bandkante, der sich mit zunehmender Anzahl der Läufe zu den längeren Wellenlängen hin verschiebt. Diese beobachtete Verschiebung ist wahrscheinlich auf die Zunahme der Filmdicke zurückzuführen, wie sie von vielen Autoren berichtet wurde . Die wahrgenommenen Interferenzränder zeugen jedoch von der Filmqualität und helfen, die Dicke der Schicht abzuschätzen.

Abbildung 6 zeigt die Variation der Schichtdicke in Abhängigkeit von der Anzahl der Durchläufe und der Abscheidezeit. Es ist klar, dass unabhängig von der Anzahl der Durchläufe (i) die Filmdicke in Abhängigkeit von der Abscheidezeit bis zu 5 min zunimmt, da in diesem Abscheidezeitbereich der Film im kolloidalen Lösungszustand wächst. Die geschätzten Dicken Filme bei 5 min sind 190, 280, 332, 462 und 564 nm, wenn die Anzahl der Läufe 1, 2, 3, 4 bzw. 5 Läufe beträgt. (ii) Die Filmdicke wird geringfügig verringert, wenn die Zeit von 5 bis 15 min variiert wird. Dieses seltsame Verhalten ist auf das Phänomen der Lösungsübersättigung zurückzuführen, das im kolloidalen Niederschlagszustand auftrat, wo ausgefällte Partikel den wachsenden Film relativ pulverisieren.

Daher sind die in Abbildung 6 dargestellten Ergebnisse von großer Bedeutung für die Entwicklung von CDs-Filmen mit einer gewünschten Dicke ohne Übersättigungslösungsphänomen. Als optimierte Abscheidezeit werden zum einen 5 min empfohlen. Andererseits kann die Anzahl der Auflagen variiert werden, um die gewünschte Foliendicke zu erreichen.

Die Bandlückenwerte () von CDs-Dünnfilmen, die bei unterschiedlichen Durchlaufzahlen und Abscheidezeiten hergestellt wurden, sind in Tabelle 4 angegeben. Eine deutliche Verringerung der Bandlücke wird festgestellt, da die Abscheidezeit für alle Durchläufe auf bis zu 5 min erhöht wird. Diese beobachtete Veränderung wird wahrscheinlich (i) der Zunahme der Filmdicke (Abbildung 6) und / oder (ii) der Verbesserung der Filmkristallinität zugeschrieben .

Die Extinktionsspektren der CDs-Dünnfilme, die bei unterschiedlichen Temperaturen geglüht wurden, sind in Abbildung 10 (a) dargestellt, während die von Filmen, die mit unterschiedlichen Durchlaufzahlen von 5 min hergestellt wurden, in Abbildung 10 (b) dargestellt sind. Es wird kein offensichtlicher Unterschied zwischen den Extinktionsspektren der abgeschiedenen und der getemperten Filme bis zu 400 ° C beobachtet. Umgekehrt zeigt der bei 550°C geglühte Film eine drastische Extinktionsreduktion zwischen 300 und 450 nm, was auf einen Phasenübergang hindeutet. Auf der anderen Seite zeigt Abbildung 10(b) eine Zunahme der Absorptionsintensität, wenn die Anzahl der Läufe erhöht wird. Wie die XRD-Ergebnisse zeigen, wird dieses Verhalten wahrscheinlich der Verbesserung der Filmkristallinität zugeschrieben.

4. Schlussfolgerung

CDs-Dünnfilme mit guten strukturellen und morphologischen Eigenschaften wurden erfolgreich unter Verwendung der CBD-Technik ohne Nachbehandlung synthetisiert. Die Bandlückenenergie wurde gefunden, um zu sein 2.42 eV mit 70 bis 95% optischer Transmission im sichtbaren Bereich. Das Hauptergebnis dieser Arbeit besteht darin, experimentell zu zeigen, dass die Durchführung der CBD-Abscheidung in “mehreren Durchläufen optimierter Zeit” die Vermeidung des Phänomens der Übersättigungslösung ermöglicht, das das ungezählte Hauptproblem bei der Kontrolle der Dicke der abgeschiedenen Filme darstellt. Durch den Einsatz dieses CBD-basierten Verfahrens ist es daher möglich, nicht nur jede Schichtdickenbegrenzung zu überwinden, sondern auch die CDs-Filme in einem einzigen technologischen Schritt bei einer niedrigen Lösungstemperatur (60 ° C) zu züchten. Wir glauben, dass diese Technik den Weg ebnet, dünne Schichten auf mehreren flexiblen Substraten abzuscheiden, die im Bereich der eingebetteten Elektronik benötigt werden.

Datenverfügbarkeit

Die Daten, die zur Unterstützung der Ergebnisse dieser Studie verwendet wurden, sind im Artikel enthalten.

Die Forschung wurde im Rahmen einer Doktorarbeit an der Mohammed V University-Faculty of Science in Zusammenarbeit mit dem National Centre of Scientific and Technical Research (CNRST), Rabat, Marokko, durchgeführt.

Interessenkonflikte

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.

Danksagung

Die Autoren danken dem Nationalen Zentrum für wissenschaftliche und technische Forschung (CNRST) und den Mitarbeitern der UATRS-Abteilung für die Nutzung ihrer Ausrüstung und technischen Unterstützung.