of 24 /24
Universitatea Politehnica din Bucuresti Facultatea de chimie aplicata si stiinta materialelor oxidice Studiul proprietatilor electrice ale straturilor/filme subtiri de oxid de zinc

Studiul Proprietatilor Electrice Ale Straturilor subtiri

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Studiul proprietatilor electrice ale oxidului de zinc

Text of Studiul Proprietatilor Electrice Ale Straturilor subtiri

Universitatea Politehnica din BucurestiFacultatea de chimie aplicata si stiinta materialelor oxidice

Studiul proprietatilor electrice ale straturilor/filme subtiri de oxid de zinc

Cuprins1. Introducere32. Proprietatile straturilor subtiri de oxid de zinc43. Metode experimentale43.1. Depunerea prin ablatie laser43.2 Metoda pulverizarii magnetron in regim RF84. Rezultate si discutii105.Concluzii156. Bibliografie16

Studiul proprietilor electrice ale straturilor subtiri(filme subtiri) de oxid de zinc1. IntroducereZnO este un semiconductor de tip AIIBVI. Din punct de vedere al structurii cristaline, este stabil sub form hexagonal-compact de tip wurtzit, unde fiecare ion se afl n coordinaie tetraedric, avnd patru ioni vecini de tipul opus. Celula elementar are constantele de reea a = 3,25 i respectiv c = 5,2 . Are o band interzis larg, de 3,4 eV, fcndu-l potrivit pentru o serie de aplicaii ce utilizeaz radiaii din domeniul ultraviolet. Prezint o conducie intrinsec de tip n. n mod curent se utilizeaz mai ales la fabricarea de senzori, celule solare i diverse alte dispozitive optoelectronice. Sub form de straturi subiri este transparent, fiind folosit pentru electrozi insensibili la radiaia din spectrul vizibil. Datorit lipsei din celula elementar a unui centru de simetrie la inversie, prezint proprieti piezoelectrice ce pot fi exploatate la construirea de traductori. La fel ca ali semiconductori oxidici precum TiO2 [1] este i un bun material pentru senzori de gaz, fiind sensibil la prezena unui numr de compui att organici, ct i anorganici.

Figura1. Structura oxidului de zinc

Oxidul de zinc este inclus, de multe ori mpreun cu oxidul de cadmiu (CdO), n grupa semiconductorilor binari de tipul AIIBVI[17,20], compui formai prin interaciunea elementelor din grupa a II-a secundar (Cd, Zn i Hg) i a VI-a (O, S, Se, Te). n Sistemul periodic, cele dou grupe sunt simetrice fa de grupa a IV-a, n care se gsesc elemente semiconductoare tipice (diamant, germaniu, siliciu)[2]2. Proprietatile straturilor subtiri de oxid de zincRezistivitatea electric a straturilor de ZnO depinde puternic de grosimea acestora i de metoda i condiiile de depunere. n general, aceasta are valori cuprinse ntre 102 Wcm i 106 Wcm dup depunere i se micoreaz pn la 10-3-10-2 Wcm, n urma nclzirii n vid sau n atmosfera de oxigen. Aceast scdere a rezistivitii electrice este explicat prin faptul c are loc oxidarea atomilor de zinc n exces [3,4,5]Studiul structurii straturilor subiri prezint o importan deosebit att pentru explicarea proprietilor fizico-chimice ale acestor straturi, ct i pentru posibilele aplicaii ale acestora. Corelarea caracteristicilor structurale cu proprietile electrice i optice constituie, i n acest caz principala metod de studiu a proprietilor acestor straturi. Proprietile straturilor subiri depind de structura acestora, care la rndul ei este determinat de grosimea straturilor, de metoda i condiiile de preparare. Parametrii care definesc condiiile de preparare folosind metode PVD (Physical Vapor Deposition) sunt numeroi (natura i temperatura suportului n timpul depunerii, rata de depunere, presiunea din incint etc.), iar efectele lor se suprapun, astfel nct este deosebit de dificil de separat i de stabilit aciunea individual a fiecruia [6,7,8] Proprietile electrice ale materialelor care fac parte din clasa semiconductorilor oxidici conductori i transpareni sunt intens studiate, deoarece natura mecanismelor de conducie electric reprezint un subiect de larg interes. Considernd c dependena de temperatur a conductivitii electrice este descris de o lege de form exponenial [8,9]

unde: 0, parametru ce depinde de natura materialul studiat; Ea- reprezint energia de activare a conduciei electrice; kB este constanta lui Boltzmann.

3. Metode experimentale3.1. Depunerea prin ablatie laserDepunerea prin ablatie laser (PLD) este o metoda de depunere a straturilor subtiri prin ablatia unei tinte (sau a mai multora) cu fascicul laser pulsat. Procesul poate avea loc in vid ultrainalt (UHV) sau in prezenta unui gaz de lucru (neutru sau reactiv de ex. oxigen pentru depunere de oxizi). Ablatia laser este un proces prin care o cantitate de material este indepartata de la suprafata unui solid/lichid in urma iradierii laser. La fluenta mare(a laserului),materialul este extras din tinta sub forma unui jet de plasma (in forma de pana laser/plasma plume).[10]

Figura 1. Schema experimentala pentru metoda de depunere a straturilor subtiri

Metoda de obtinere a straturilor subtiri prezinta multe etape care sunt detaliate mai jos in Tabelul 3.1Tabelul 3.1 Etapele metodei de depunere a straturilor subtiriEtapele metodei de depunerea a straturilor subtiriDescriere

1. Ablatia laser a materialului tintei si crearea jetului de plasma

Fasciculul laser incident (de lungime de unda ) patrunde in material pana la adancimea de patrundere (de ordinul a 10 nm pentru majoritatea materialelor, depinzand de si natura materialului). Campul electric generat de lumina laser este suficient de intens pentru a ioniza atomii din stratul penetrat, care sunt smulsi din tinta prin 2 mecanisme posibile:(i) Respingerea coulombiana dintre ioni ii proiecteaza pe directia normala la tinta, creand jetul de plasma (explozie Coulomb).(ii) Electronii liberi oscileaza in campul electromagnetic (laser) si se ciocnesc cu atomii/ionii tintei, cedandu-le energia necesara pentru vaporizare prin incalzire.

2. Dinamica plasmei

Jetul de plasma emis normal la suprafata tintei se largeste din urmatoarelemotive: Respingerea coulombiana lateral,Ciocniri cu atomii reziduali din camera de depunere, Forma de pana (plume) a jetului de plasma depinde de:Distributia dupa viteze a ionilor din plasma si Presiunea din camera de depunere

3. Depunerea materialului pe substrat

Aceasta etapa este importanta pentru determinarea calitatii filmului depus.Ionii cu energii mai mari care lovesc substratul/stratul depus pot produce defecte locale si pot smulge atomi de la suprafata. Atomii smulsi se reintorc pe strat si depunerea lor impreuna cu plasma determina scaderea calitatii stratului

4. Procesul de nucleatie si formarea filmului pe suprafata substratului

Parametrii de care depinde procesul de nucleatie si formarea filmului sunt: Parametrii laserului fluenta [J/cm2] si energia pulsului determina gradul deionizare al plasmei stoichiometria (calitatea filmului) si fluxul de depunere(densitatea de nucleatie creste cu fluxul de depunere). Parametrii substratului temperatura si calitatea suprafetei determinadensitatea de nucleatie (care scade cu cresterea temperaturii si rugozitatiisuprafetei substratului). Presiunea gazului de lucru determina stoichiometria compusilor si calitateafilmului (ambele cresc cu presiunea gazului de lucru reactiv si scad cu presiuneagazului de lucru neutru).

Aceasta metoda are diverse avantaje: transfer stoichiometric de material de la tinta la substrat, rate de depunere relativ mari ~ 10 nm/min, obtinute la fluenta moderata, proces de depunere foarte curat, deoarece sursa laser este sursa externa de nergie si posibilitatea de depunere de filme multistrat folosind un carusel cu multe tinte.[10]Filmele ZnO au fost depuse prin PLD pe subtraturi de SiO2 (001) prin utilizarea sursei laser cu excimeri KrF* ( = 248 nm, FWHM 7 ns), operata la o frecventa de repetitie de 2 Hz. Fluenta laser incidenta pe tinta a fost fixata la 2,8 J/cm2. Distanta de separare tintasub strat a fost de 5 cm. In prealabil camera a fost evacuata pana la o presiune reziduala de 10-4 Pa. Pentru evitarea perforarii tintei si obtinerea unui strat uniform, tinta a fost atat translatata (de-a lungul celor doua axe ortogonale) cat si rotita la o frecventa de 0,04-1 Hz pe durata iradierii multipuls. Pentru depunerea unui film am aplicat un numar de 30-50.000 de pulsuri laser consecutive intr-o atmosfera reactiva de 13 Pa O2. Pastilele au fost apoi sinterizate in aer la 1100 C pentru 8 ore, apoi toate substraturile au fost curatate atent cu alcool pentru 5 min intr-o baie ultrasonica. Conform experientei anterioare, s-au aplicat in prealabil 1000 pulsuri de curatire interpunand un obturator (shutter) intre tinta si substrat.[11,12]

3.2 Metoda pulverizarii magnetron in regim RF

Metoda de depunere prin pulverizare catodica este o metoda de de preparare de straturi subtiri prin expulzarea atomilor dintr-o tinta(asezata la catod), preparata din materialul droit(oxid de zinc) si depunerea acestor atomi pe un substrat(asezat la anod). Expulzarea atomilor se face prin bombardarea tintei cu un fascicule de ioni(ai gazului de lucru). Atomii extrasi din tinta au o larga distributie de energii, valoarea tipica fiind de zeci de eV. Metoda de depunere straturi subtiri de oxid de zinc este o metoda promitatoare datorita mai multor aspecte: aderenta buna film-substrat, uniformitatea compozitionala si de grosime, puritatea etc.In tabelul 3.2 sunt prezentate caracteristicle si avantajele acestei metode.Tabelul 3.2 Caracteristici si AvantajeCaracteristiciAvantaje

-Extragerea atomilor tintei se face printr-un proces de schimbare de impuls intre ioniigazului de lucru si atomii tintei;-95 % din energia incidenta se cedeaza tintei;-atomii expulzati din tinta au o distributie (spatiala) neuniforma- multi atomi pe directie normala la suprafata tintei (distributie cosinus);

- Rata mare de depunere; rata de depunere difera putin de la un material la altul;-Temperatura substratului este relativ mica;- Stratul depus reproduce foarte bine compozitia (stoechiometria) tintei;-Curatarea substratului prin bombardare cu un fascicul de ioni;- Depuneri de structuri monostrat sau smultistrat;- In echipamentele moderne tinta se corodeaza (prin pulverizarea materialului)uniform- cresterea timpului de viata a tintei;-Nu necesita vid ultrainalt

Principala limitare a procesului de pulverizare magnetron in regim RF este reprezentat de dificultatea realizrii stoechiometriei filmelor. De aceea parametrii de depunere RF-MS sunt foarte importani : Conditiile/parametrii de depunere filme subtiri Substraturi: Si; Degresare in acetona si spalare prin ultrasonare in alcool iso-propilic Vid limita: ~10-3 Pa; Gazul de lucru: Ar +O2; - pre-pulverizare:energie Ar