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Preparation and characterization of ZnO and doped-ZnO thin films by electrospraying method at atmospheric pressure for transparent electrode applications = 정전분무법에 의한 산화아연 및 특정 원소가 도핑된 산화아연 투명전극용 박막 제조 및 특성 분석
서명 / 저자 Preparation and characterization of ZnO and doped-ZnO thin films by electrospraying method at atmospheric pressure for transparent electrode applications = 정전분무법에 의한 산화아연 및 특정 원소가 도핑된 산화아연 투명전극용 박막 제조 및 특성 분석 / Khalid Mahmood.
저자명 Khalid Mahmood ; 칼리드마흐무드
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2012].
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ZnO and Al-doped ZnO thin films were fabricated by electrospraying method at atmospheric pressure followed by annealing. The effects of annealing and Al doping on the structural, electrical and optical properties of the films were examined. The results show that films have random orientation with compact hexagonal wurtzite structure. It also implies that the annealing and the Al doping help to improve the electrical conductivity and optical properties as well. The minimum value of resistivity was 1.65 x 10-4 Ω cm for 0.5 at. % Al-doped ZnO film and transmittance was greater than 91 % in the visible region. The present value of resistivity is comparable to the lowest values for Al-doped ZnO films reported in open literatures. All the films prepared by this method have a good crystalline structure and homogenous surface. At atmospheric pressure, the electrospraying method was confirmed to be suitable for the preparation of Al-doped ZnO films with low resistivity and high transmittance. Two emission bands were observed in the PL spectra; one was located in the UV range and the other one comprise of green luminescence. Metal-doped (B and Ta) ZnO thin films were deposited by the electrospraying method onto a heated glass substrate. The structural, electrical and optical properties of the films were investigated as a function of dopant concentration in the solution and also as a function of annealing temperature. The results show that all the prepared metal-doped ZnO films were polycrystalline in nature with a (0 0 2) preferred orientation. Heat treatment of the films enhanced the transmittance, Hall mobility, carrier concentration and crystallinity. It was also examined that 2 at.% is the optimal doping amount in order to achieve the minimum resistivity and maximum optical transmittance. The annealing of the as-deposited thin films in air resulted in the reduction of resistivity. Depending on the characteristics of dopant, mainly ionic radius, the effects of dopant were studied on the properties of ZnO thin films. Boron and tantalum have been considered as dopants, tantalum being the superior of the two, since it showed the lower resistivity and higher carrier concentration as well as higher mobility. The minimum value of resistivity was 1.95 x 10 -4 Ω cm (15 Ω/□) with an optical transmittance more than 93 % in the visible region and minimum resistivity of 2.16 x 10 -4 Ω cm (18 Ω/□) with an optical transmittance greater than 96 % for 2 at. % tantalum- and boron-doped ZnO films respectively. The prepared films exhibit the good crystalline structure, high optical transmittance and low resistivity that are well appropriate for optical devices. A simple two-step process was developed for growing the nitrogen-doped ZnO (NZO) nanorod arrays on glass substrates. ZnO particles serve as a seed layer deposited by the electrostatic spray deposition method for the growth of NZO nanorods in aqueous solution. FE-SEM images revealed that nanorods have approximately uniform length distribution with hexagon end planes and grow vertically along the c-axis, which was also confirmed by X-rays diffraction. In addition, NZO nanorods had an average diameter of 140 ± 20 nm and an average length of 1.2 to 2.7 μm with a wurtzite-type structure of ZnO. N doping had no prominent effect on the structure and crystal orientation, but it helps to increase the length and reduction in the diameter of nanorods. Moreover, electrical resistivity was found to decrease first and then increase with further nitrogen doping due to the decrease of mobility and increase of carrier concentration. Also the transmittance increased initially, but at higher nitrogen contents it decreased. Annealing the nanorods imparts no effect on the morphology, but there was a significant decrease in electrical resistivity due to the formation of oxygen vacancies. ZnO thin films co-doped with boron and fluorine (B, F-ZnO) were deposited by the electrospraying method. The characteristics of the films were investigated as a function of dopant concentrations in the solution. X-ray diffraction studies revealed that all the prepared films were polycrystalline in nature and exhibited the ZnO hexagonal wurtzite structure with preferential orientation along the (002) crystal plane. In addition, shift in the XRD patterns was observed and the crystal orientation was changed at a certain amount of fluorine (> 6 at.%) in the starting solution. Analysis of X-ray diffraction and X-ray energy dispersive patterns demonstrate that fluorine and boron have been successfully doped into the ZnO thin films. Alike these studies, the scanning electron micrographs showed that the grain size tends to decrease by the addition of fluorine. It was also observed that 2 at. % boron and 6 at.% fluorine was the optimal amount in order to achieve the minimum resistivity and maximum transmittance. The minimum value of resistivity of about 1.01 x 10 -4 Ω cm and high optical transmittance of 98% in the visible region was obtained for 2 at. % boron and 6 at.% fluorine co-doped ZnO films. The films produced at optimum conditions are suitable for optical and electrical applications owing to their low resistivity and high optical transmittance in the visible range.

산화아연과 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막을 대기압 분위기에서 정전분무법에 의해 제조하며, 추가로 열처리 공정을 수행한다. 열처리 및 알루미늄 도핑의 구조적, 전기적, 광학적 효과를 분석하였다. 생성된 박막은 치밀한 hexagonal wurtzite 구조를 가지며 무작위하게 배열되어 있다. 열처리 온도를 증가시킴에 따라 그레인(grain) 크기, 밴드갭 및 투과도가 증가하였다. 이것은 열처리와 알루미늄 도핑이 전기전도도, 광학적 성질을 개선시키는 것을 의미한다. 0.5 at % 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막은 1.65 x 10-4 Ω cm 의 전기전도도 최소값을 가지고 있고, 가시광선 영역에서 91% 이상의 투과도를 나타내고 있다. 전기전도도 값은 다른 문헌에서 보고된 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막의 최소값과 필적할 만한 수준이다. 이 방법에 의해 제조된 모든 박막은 좋은 결정 구조 및 균일한 표면을 가지고 있다. 본 연구에서 산화아연 결정 구조에서 알루미늄의 치환이 박막의 자유전자농도(free electron concentration) 및 밀도의 관점에서 긍정적인 효과를 가져오는 것을 제안하였다. 대기압에서 정전분무법은 낮은 저항도 및 높은 투과도를 가지고 있는 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막을 제조함에 있어 적절한 것을 확인하였다. In-situ 액적 크기 측정방법을 통해 액적의 크기가 일정하다는 것을 보였다. PL 스펙트럼에서 두 개의 emission band가 관찰되었으며, 하나는 UV 영역에 위치하고 다른 하나는 녹색 luminescence를 구성하고 있다. 열처리 효과는 Raman 및 UV emission peak의 세기를 증가시키며, 이것은 결정성이 개선되었음을 의미한다. 금속 원자(B, Ta)가 도핑된 산화아연 박막을 정전분무법에 의해 가열된 유리 기판에 증착하였다. 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 용액의 도펀트 농도 및 열처리 온도에 따라 분석하였다. 모든 합성된 금속원자가 도핑된 산화아연 박막은 (002) 방향성을 갖는 다결정(polycrystalline) 구조를 나타내고 있다. 전구체의 도펀트 농도가가 증가함에 따라, 결정성과 투과도는 감소하였다. 그러나 박막의 열처리 효과는 투과도, 홀 이동도(Hall mobility), carrier concentration, 결정성을 증가시켰다. 이 결과는 최소 저항도 및 최대의 광학 투과도를 얻기 위해 2 at % 가 최적의 도펀트 양임을 확인할 수 있었다. 증착된 박막은 높은 저항도 및 낮은 광학 투과도를 가지고 있다. 그러나 증착된 박막을 공기중에서 열처리함에 따라 저항도의 감소를 가져왔다. 도펀트의 특성, 결정을 구성하는 격자의 이온 반경, 도펀트의 효과에 따라 산화아연 박막의 특성을 분석하였다. 보론(Boron)과 탄탈럼(Tantalum)이 도펀트로써 사용되었을 때, 탄탈럼이 최적이었으며 이는 낮은 저항도, 높은 carrier concentration 및 높은 이동도(mobility)를 나타내고 있음을 확인하였다. 2 at%의 탄탈럼이 도핑된 산화아연 박막의 저항도는 1.95 x 10 -4 Ω cm (15 Ω/□), 광학 투과도는 가시광선 영역에서 93% 이상을 나타냈으며, 2 at%의 보론이 도핑된 산화아연 박막의 저항도는 2.16 x 10 -4 Ω cm (18 Ω/□), 광학 투과도는 가시광선 영역에서 96% 이상을 나타내었다. 상기 저항도 값은 인듐-주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)의 저항도에 가깝고, 이전에 보고된 산화 아연 박막에 있어서 가장 낮은 저항도를 나타내고 있다. 제조된 박막은 좋은 결정 구조, 균일한 표면, 높은 광학 투과도, 낮은 저항도를 가지고 있어 광학 장치에 사용될 수 있다. 유리 기판에 질소 원자가 도핑된 산화아연 nanorod 구조체(이하 NZO nanorod)를 성장시키기 위해 단순한 두 단계 공정을 개발하였다. 정전분무법에 의해 증착된 산화아연 입자는 seed layer로써 역할을 수행하며, 수용액에서 NZO nanorod의 성장을 위해 필수적이다. FE-SEM image를 통해 얻어진 nanorod의 길이 분포가 균일하고, c축을 따라 수직으로 성장하는 것을 확인하였으며, 또한 X-ray diffraction 결과를 통해 입증되었다. 게다가 NZO nanorod는 산화아연의 wurtzite-type의 구조로써, 평균적인 직경이 140 ± 20 nm, 길이는 2.7 μm 를 가진다. 질소 도핑은 구조 및 결정 배향에 있어 주된 효과를 가지지 않으나 nanorod의 길이를 증가시키고 직경을 감소시키는 데 도움을 주는 것으로 나타났다. 더욱이 전기 전도도는 질소 원자가 도핑됨에 따라 처음에는 감소하다 증가하는 경향성을 보이며 이것은 mobility의 감소, carrier concentration의 증가 때문이다. 또한 투과도는 초기에는 증가하였으나 질소 원자의 농도가 증가함에 따라 투과도가 감소하는 것으로 나타났다. Nanorod의 열처리는 형태에 있어서 영향을 미치지 않으나 oxygen vacancy의 형성 때문에 전기전도도가 크게 감소하는 것으로 나타났다. 정전분무법에 의해 가열된 유리 기판 위에 보론과 플루오르가 함께 도핑된 산화아연(B, F-ZnO) 박을 증착하였다. 박막의 특성을 전구체 용액의 도펀트 농도에 따라 분석하였다. X-ray diffraction 결과는 증착된 모든 박막이 다결정성(polycrystalline)이고, (002) 결정 평면을 따라 방향성을 가지는 hexagonal wurtzite structure를 나타내는 것으로 보였다. 게다가, 전구체 용액에서 특정 플루오르 양(> 6 at%)에 따라 XRD 패턴이 이동하는 것이 관찰되었고, 결정 배향이 변화하는 것을 확인할 수 있었다. X-ray diffraction 및 X-ray energy dispersive 패턴 분석은 산화아연 박막에서 플루오르와 보론이 효과적으로 도핑된 것을 입증하고 있다. 상기 결과와 유사하게, SEM image 분석으로부터 플루오르를 첨가함에 따라 grain의 크기가 감소하는 경향을 나타내고 있다. 최소 저항도 및 최대 투과도를 가지는 박막을 얻기 위해서는 2 at % 보론 및 6 at % 플루오르가 최적의 도펀트 농도임을 확인하였다. 상기 도펀트 농도에서 저항도는 1.01 x 10 -4 Ω cm 를 가지고, 가시광선 영역에서 98% 이상의 광학 투과도를 가졌다. 더욱이 저항도 값은 이전에 문헌에서 보고된 산화 아연 박막 중에 최소값을 가지며, ITO 저항도의 값과 가까운 것으로 나타났다. 산화아연 격자 구조에서 보론과 플루오르 원자가 효과적으로 치환되었음을 알 수 있었고, 이것은 전기적, 광학적 특성을 개선할 수 있는 박막의 free carrier concentration과 밀도가 개선되는 관점에서 장점을 가지고 있는 것으로 나타났다. 최적 조건에서 증착된 박막은 낮은 저항도 및 가시광선 영역에서 높은 광학투과도를 가져야 하는 광학, 전기적 분야에 적용될 수 있을 것으로 생각한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 12018
형태사항 xiii, 120 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 칼리드마흐무드
지도교수의 영문표기 : Seung-Bin Park
지도교수의 한글표기 : 박승빈
수록잡지명 : "Growth and conductivity enhancement of N-doped ZnO nanorod arrays". Journal of Crystal Growth, 347, 104-112(2012)
수록잡지명 : "Effects of thermal treatment on the characteristics of boron and tantalum-doped ZnO thin films deposited by the electrospraying method at atmospheric pressure". Surface & Coatings Technology, (2012)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 112-114
주제 Electrospray
Zinc Oxide
Transparent
Conductive
Atmospheric
전기 분무
아연 산화물
투명한
전도성의
대기의
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