Структура, электрические и оптические свойства пленок (SnO2)х ∙ (ZnO)1-х для х = 0,3; 0,5 Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Белоусов С.А., Кошелева Н.Н., Носов А.А., Меньшикова Т.Г., Рембеза С.И.

Металлооксидные пленки состава (SnO2)х ∙ (ZnO)1-х для х = 0,3; 0,5, что соответствует соотношениям ZnO и SnO2 2:1 (х = 0,3) ZTO2 и 1:1 (х = 0,5) ZTO1, изготовлены методом ионно-лучевого распыления в атмосфере Ar. Исследованы элементный и фазовый состав , структура пленок, их электрические и оптические свойства в аморфном состоянии. Свойства аморфных пленок ZTO1 и ZTO2 позволяют использовать их в прозрачной электронике в качестве канала (ZTO1) или в качестве прозрачных электропроводящих истока, стока и контакта затвора (ZTO2). После термообработки при 580 оС в течение шести часов пленка ZTO1 не кристаллизовалась, а пленка ZTO2 представляет собой кристаллическую фазу Zn2SnO4. Оценена возможность использования пленок ZTO1 и ZTO2 в прозрачной электронике и газовой сенсорике

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Белоусов С.А., Кошелева Н.Н., Носов А.А., Меньшикова Т.Г., Рембеза С.И.

STRUCTURE, ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES FILMS (SnO2)Х ∙ (ZnO)1-Х FOR х = 0,3; 0,5

Metal oxide film composition (SnO2)х ∙ (ZnO)1-х for х = 0,3; 0,5, which corresponds to the ZnO and SnO2 ratio of 2: 1 (x = 0,3) ZTO2 and 1:1 (x = 0,5) ZTO1, made by ion beam sputtering in Ar atmosphere. The elemental and phase composition, the structure of the films are studied, electrical and optical properties in the amorphous state are measured. The properties of amorphous films ZTO1 and ZTO2 allow to use them in transparent electronics as channel (ZTO1) or as a transparent conductive source, drain and gate contacts (ZTO2). After heat treatment at 580 ° C for 6 hours ZTO1 film is not crystallized, as the film is a ZTO2 have crystalline phase Zn2SnO4. The possibility of using films ZTO1 and ZTO2 in transparent electronics and gas sensorics discussed

Текст научной работы на тему «Структура, электрические и оптические свойства пленок (SnO2)х ∙ (ZnO)1-х для х = 0,3; 0,5»

СТРУКТУРА, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК ^пОз)х • ^пО)ьх ДЛЯ х = 0,3; 0,5

С.А. Белоусов, Н.Н. Кошелева, А.А. Носов, Т.Г. Меньшикова, С.И. Рембеза

Металлооксидные пленки состава (8п02), • (ZnO)1-х для х = 0,3; 0,5, что соответствует соотношениям ZnO и SnO2 2:1 (х = 0,3) ZTO2 и 1:1 (х = 0,5) ZTO1, изготовлены методом ионно-лучевого распыления в атмосфере Аг. Исследована: элементный и фазовый состав, структура пленок, их электрические и оптические свойства в аморфном состоянии. Свойства аморфных пленок ZTO1 и ZTO2 позволяют использовать их в прозрачной электронике в качестве канала ^ТО1) или в качестве прозрачных электропроводящих истока, стока и контакта затвора ^ТО2). После термообработки при 580 оС в течение шести часов пленка ZTO1 не кристаллизовалась, а пленка ZTO2 представляет собой кристаллическую фазу Zn2SnO4. Оценена возможность использования пленок ZTO1 и ZTO2 в прозрачной электронике и газовой сенсорике

Ключевые слова: тонкие пленки, ионно-лучевое распыление, элементный и фазовый состав, электрические и оптические свойства

Около 20 лет назад сформировалось новое направление в электронике - прозрачная электроника. Основными материалами прозрачной электроники стали широкозонные (AЕg = 3 эВ) металлооксидные полупроводники [1], например 8п02, 2п0, ТЮ2 и другие. Тонкие пленки металлооксидных полупроводников много лет находили применение при изготовлении солнечных элементов [2], датчиков газов [3], полевых транзисторов [4] и в других областях науки и техники, а в настоящее время используются для изготовления приборов и изделий прозрачной электроники.

При одновременном синтезе металлооксидов 8п02 и 2п0 могут образовываться новые фазы 2п 8п03 и 2п28п04 [5], которые прозрачны в видимом диапазоне света, и также могут использоваться в прозрачной электронике. В данной работе приведены результаты исследований структуры и электрофизических свойств пленок, образующихся при одновременном синтезе 8п02 и 2п0 в различных пропорциях и оценка возможности их использования в прозрачной электронике.

Методика изготовления образцов

Металлооксидные пленки переменного состава 2п0 и 8п02 были синтезированы методом ионно-лучевого распыления в атмосфере Аг составной мишени, состоящей из керамических полосок 2п0 и 8п02 [6], размещенных на держателе с переменным

Белоусов Сергей Алексеевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: heroy777@mail.ru

Кошелева Наталья Николаевна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: vstu-ppe@yandex.ru

Носов Андрей Андреевич - ВГТУ, магистрант, e-mail: sir.baters@yandex.ru

Меньшикова Татьяна Геннадьевна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: menshikova.vrn@mail.ru Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: rembeza@yandex.ru

шагом. Элементный состав напыленных пленок (толщиной 3 мкм) анализировался с помощью микроанализатора JEOL JXA - 840 методом энергодисперсионного анализа вторичных электронов. Толщина пленок измерялась с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4.

Степень кристаллизации образцов и их фазовый состав контролировались методом рентгеновской дифракции на спектрометре Biroer 2D Phaser. Оптические свойства синтезированных пленок изучались с помощью двухлучевого спектрофотометра видимого диапазона СПЕКС СПП-715М.

Определялся спектр пропускания пленок, на основе которого рассчитывался коэффициент поглощения и определялась ширина запрещенной зоны металлооксидов.

Поверхностное сопротивление образцов измерялось четырехзондовым методом на установке ЦИУС-4. Концентрация и подвижность носителей зарядов измерялась с помощью эффекта Холла в переменном поле 0,63 Тл. Поверхность пленок сканировалась на атомно-силовом микроскопе FemtoScan-001. Термообработка образцов осуществлялась на воздухе в горизонтальной печи до температуры 580 °С. Дальнейшее повышение температуры было не целесообразно, так как могло приводить к разрушению стекла подложки образцов.

Результаты и обсуждение

Из набора синтезированных образцов для исследований были выбраны №2 и №5 с содержанием цинка 27 ат % (№2) и 35 ат % (№5) и содержанием олова 15 ат % (2) и 10 ат % (№5). Количество Zn и Sn в образце №2 соответствовало количеству ZnO и SnO2 в соотношении примерно 1:1 (51 ат % SnO2 :45 ат % ZnO ) (в дальнейшем этот образец будет обозначаться как ZTO1), а количество ZnO и SnO2 в образце №5 соответствовало соотношению ZnO и SnO2 примерно как

2:1 (70 ат % Sn02:30 ат % ZnO) (образец ZTO2). Рентгеновский дифракционный анализ показал, что оба образца сразу после напы-

ления имели аморфную структуру. Толщина пленок на стеклянных подложках составляла

Концентрация электронов в свежеприготовленных пленках составила п= 61016 см-3 (2Т01) и п= 9 1017 см-3 (2ТО2), а подвижность свободных носителей зарядов д=7 см2/Вс и д=18 см2/Вс, соответственно. Таким образом, аморфные пленки характеризуются сравнительно высокими значениями концентрации и подвижности электронов. Электрофизические свойства пленок 2Т01 позволяют использовать их в качестве канала прозрачного полевого транзистора. Пленки 2Т02 могут использоваться как прозрачные токопроводящие покрытия. Свежеприготовленные пленки имеют светло-коричневый цвет, что указывает на слабое пропускание сине-фиолетовой части оптического спектра.

Аморфные пленки обычно имеют небольшую шероховатость, что подтверждает рис. 1а, на котором приведен рельеф пленки 2Т02. Шероховатость пленок не превышает 5 нм. После отжига пленки 2ТО2 при 580 °С в течение 6 часов рельеф поверхности изменился (рис 1б), увеличилась шероховатость до 12 нм и плотность дефектов.

выбирать соотношение компонентов 2п0 и SnO2 как 2:1.

Рис. 1. Рельеф пленки 7ТО2: (а) до отжига; (б) после отжига 6 ч. 580 °С

Для кристаллизации пленок их отжигали при температуре 580 °С в течение 6 часов. Температура отжига выбрана с учетом температуры кристаллизации оксида цинка (575 °С) [5] и ограничений из-за размягчения стеклянных подложек. Рентгеновские спектры образцов 2ТО1 и 2ТО2 приведены на рис. 2 и показывают, что пленка 2Т01 полностью не кристаллизовалась, а пленка 2ТО2 содержит кристаллическую фазу 2п^п04. Таким образом, для получения преобладающей фазы 2п^п04 необходимо

ЛЪеЬ (СоисЫ Тт)ТЬе1а/П1е1а) И1.= 1.54060

гтпиа (спирта т«1 т ГешГ11к1а) 1гя = 1 гмсво б

Рис. 2. ХКС анализ тонких пленок (8п02)х(7п0)1-х после отжига при Т = 580 оС в течение 6 часов. (а) образец 7ТО1 с соотношением 7п0 и Бп02 как 1:1; (б) образец № 5 с соотношением 7п0 и Бп02 как 2:1

После отжига образцы 2ТО1 и 2ТО2 посветлели и стали более прозрачными. На рис. 3 спектры пропускания образца 2Т02, похожие спектры наблюдались и для образца 2ТО2.