喷雾热分解法制备CdO薄膜的温度特性及其电学、光学和结构特性研究

××可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报1（2014）119喷雾热分解法制备CdO薄膜的温度特性哈桑·H放大图片作者：Afifya，Ninet M.作者：Ahmedb.Tadrosc，F atma M.Ibrahimca埃及Dokki国家研究中心固态部b埃及多基电子研究所光电部c埃及曼苏拉大学理学院物理系2014年7月8日在线发布摘要喷雾热分解法制备的CdO薄膜在喷雾时间一定的情况下，薄膜生长表现出温度依赖性。相反，当衬底温度恒定时，生长依赖于膜厚度在覆盖喷涂时间和基片温度范围内，薄膜为多晶计算并分析了晶粒尺寸和微观应变原子力显微镜（AFM）显微照片证明，晶粒均匀分布在扫描区域（5 µm5 µm）和（50 µm 50 µm）内。粗糙度显示出相当大的下降与基板温度。所有样品都显示出透射率的突变，这表明直接转变和良好的结晶度。在450 ~ 1000 nm波长范围内，随着衬底温度的升高，薄膜的透过率提高到80%以上。此外，在1500-2000 nm范围内观察到宽吸收带。这条带可以归因于自由载流子浓度的增加，这通过膜薄层电阻的合理降低来的带隙Eg的测定和发现是在2.45-2.55 eV的范围薄层电阻由于自由载流子浓度的增加，随着沉积温度的增加而降低，在450 ℃时为66▲/© 2014制作和主办由Elsevier B.V.电子研究所（ERI）关键词：氧化镉;电学;光学和结构特性;喷雾热解;薄膜1. 介绍近来透明导电氧化物（TCO）薄膜例如氧化锡（Kim等人，2008;Moholkar等人， 2008）、氧化铟锡和氧化镉（Ma等人，2003;Chandiramouli和Jeyaprakash，2013）由于其在可见光谱中同时具有高透明度和低电阻率而引起了相当大的关注。大多数已知的TCO材料是n型半导体，其中诸如氧空位、杂质取代和杂质的缺陷向导带提供电子，从而为电流的流动提供电荷载流子 透明导体在各种光电器件中的使用日益增加（Ortega等人，2000年; Gupta*通讯作者。联系电话：+20 01062350554。电子邮件地址：ninet321@yahoo.com，hassanafify@ymail.com（H.H.Afify）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2014.07.0012314-7172/© 2014由Elsevier B. V.制作和托管电子研究所（ERI）120H.H. Affy等人/电气系统与信息技术学报1（2014）119××±−→例如， 2008）、异质结太阳能电池（Santos-Cruz等人，2006; Zaien等人， 2012）和热镜引起了人们对薄膜的电光应用的兴趣。CdO是具有宽带隙的简并半导体，2.2到2.9 eV，随着载流子密度的增加。它显示出高的n型导电性，由于存在间隙 Cd原子和氧空位都作为施主。它已经使用各种技术如溅射（Saha等人，2008; Zhou等人， 2007）、溶胶-凝胶（Aksoy等人， 2009）、蒸发（Dakhel和Henari，2003）、脉冲激光沉积（Zhao等人，2002;Gupta等人，2009）、化学气相沉积（Yahya和Adel，2012）和喷雾热解（Bhosale等人，2005;Jeyaprakash等人，2011年）。采用喷雾热解法制备了CdO薄膜。喷雾热解法是一种有效的生产方法，生产时间短，颗粒组成均匀，一步生产。前驱体和溶剂的性质是影响薄膜性能的主要因素本文报道了用喷雾热分解技术在不同衬底温度和喷雾时间下制备氧化镉薄膜2. 实验用0.1M醋酸镉溶于甲醇和重蒸馏水（1：1）的混合液中，通过喷雾法制备了纯氧化镉薄膜。甲醇被用来完成氧化和提高喷雾液滴的流动性。喷雾装置在别处描述（Afify等人，2005年）。交替改变喷涂参数，直到获得具有明显均匀特征的膜。将膜沉积在清洁的玻璃（25 mm）上12.5 mm2 mm）基材上进行喷涂。基板TEM-温度在300 ℃ ~ 450℃范围内变化，其它喷雾参数保持在最佳值。基板温度由铬镍热电偶控制，该热电偶馈入温度控制器，精度为2° C。载气（空气）流速为20 L/min，溶液流速为1.32 ml/min，喷嘴到基板的距离为1.32 ml/min。是35厘米。当喷雾溶液的液滴到达热基底时，由于溶液的热解分解，根据以下反应在基底表面上形成粘附性良好、无针孔、均匀的黄色氧化镉膜（Seo，2004;Uplane等人，（2000年）：Cd（CH3 COO）2+3H2 O热 CdO↓ + CH4↑ + 4H2↑ + 3CO2↑（1）膜的厚度通过触针法测量使用Philips（PW-1710）衍射仪使用Cu Kα辐射源通过以0.02μ m的步长改变衍射角2θ从30μ m至80μ m进行X射线衍射（XRD）。使用Hitachi双光束分光光度计（UV-Vis-NIR）型号330在250-2500 nm波长范围内进行镜面透射和反射薄层电阻的测量采用双探针法。利用原子力显微镜（AFM）对薄膜形貌进行了表征以0.01埃/秒的慢扫描对高强度平面进行XRD谱线展宽分析，本工作的重点是衬底温度依赖的膜结构和相关的物理性能，如颗粒大小，Eg，方块电阻和表面粗糙度。3. 结果和讨论3.1. 结构特性3.1.1. 薄膜厚度XRD图谱用于结构分析的研究氧化镉薄膜。 在恒定衬底温度（425 ℃）和不同喷涂时间下沉积的CdO薄膜的XRD图如图所示。1.一、观察到五个突出的峰，表明沉积膜的多晶性质。两个峰对应于（111）和（200）高强度，而另外三个峰对应于（220）、（311）、（222）弱强度，并且随喷雾时间变化轻微在短喷涂时间下的主生长平面（111）在长喷涂时间下变为（200），这意味着膜生长是厚度依赖性的。计算这些峰的平面间距（d），并将其索引为标准块状CdO的所获得的XRD图案与具有立方结构和晶格参数a=4.690A/cm的块状CdO很好地匹配，这与所研究样品的计算值范围为4.646和4.690A/cm（Gurumurugan等人，1995年）。H.H. Affy等人/电气系统与信息技术学报1（2014）119121图1.一、衬底温度425 ℃，不同喷涂时间（5 min，15 min，25 min）下制备的CdO薄膜的X射线衍射图3.1.2. 衬底温度3.1.2.1. XRD研究。 在不同的衬底温度和25分钟喷涂时间下制备的CdO薄膜的X射线衍射图如图所示。二、在恒定的喷涂时间和可变的基底温度下，与较高的基底温度相比，预计在低基底温度下膜厚度的变化将是不合理的。这可能是由于在低衬底温度下薄膜生长占主导地位，而在较高衬底温度下形成的薄膜蒸发是导致薄膜厚度减小的重要因素。这解释了在450° C时（111）和（200）的较低强度XRD图谱没有显示出显著的峰位移，但显示出明显的加宽。这表明存在微观应变而不是宏观应变。（200）的强度随衬底温度的升高而增大。尽管（111）强度几乎是恒定的。这意味着薄膜的生长通孔（200）取决于温度然而，随着衬底温度的升高，峰的强度增加，表明更好的结晶度和晶粒尺寸。对所研究的样品进行了高强度（111）和（200）峰的XRD峰形，以很好地确定加宽（β），这是计算微晶尺寸的主要参数图3中示出了在衬底温度425 ° C和喷涂时间25分钟下沉积的CdO薄膜的代表性一个。微晶尺寸和通过使用Williumson-Hall方程（Jeyaprakash等人， 2011年）：kλβcosθ=D+β sinθ（2）122H.H. Affy等人/电气系统与信息技术学报1（2014）11935030025020015010050035030025020015010050035030025020015010050035030025020015010050035030025020015010050030 40 50（200）（一百一十一）30 40 5030 40 5030 40 50（一百一十一）（200）450 oC60 70 80425 ℃（220）（311）(222）60 70 80400 oC60 70 80350 oC60 70 80300 oC(220)（311）（222）30 40 50 60 70 80图二、不同衬底温度（300 ℃、350℃、400℃、425 ℃和450 ℃）和喷涂时间（25 min）制备的CdO薄膜的X射线衍射图（20（一（22(311)（222）（一（20（22(311)（222）（一（20（22（311）（222）强度（计数/秒）强度（计数/秒）强度（计数/秒）强度（计数/秒）强度（计数/秒）H.H. Affy等人/电气系统与信息技术学报1（2014）119123××图3.第三章。在衬底温度425 ℃和喷涂时间25 min条件下沉积的CdO薄膜的X射线展宽不同衬底温度和25 min条件下制备的CdO薄膜的（111）和（200）晶面晶粒尺寸3020100250 300 350 400 450 500基板温度（ºC）见图4。不同衬底温度下制备的CdO薄膜的晶粒尺寸。其中D是微晶尺寸，K是取为0.94的常数，β是通过减去仪器的预定β而校正的半峰全宽（FWHM），并且λ是X射线的波长。用sinθ直线绘制βcosθ，其斜率是应变（ε）的度量，而与Y轴的截距给出晶粒尺寸。晶粒尺寸随衬底温度的变化如图4所示。由（111）峰和（200）峰计算的晶粒尺寸与衬底温度的关系基本一致。此外，观察到的变化也不合理。微应变随衬底温度的变化如图所示。 五、可以清楚地观察到，微应变变化是显著的。低温沉积薄膜的微应变较高，高温沉积薄膜的微应变较低。3.1.2.2. 表面形态 图图6A和图6 B显示了在喷涂时间25分钟和300、350、375和400 ° C的衬底温度下沉积的CdO薄膜的二维和三维AFM图像。从AFM显微照片中观察到的CdO薄膜的表面形貌证明，晶粒均匀地分布在扫描区域（5 μm 5 μm）和（50 μm 50 μm）内，单个柱状晶粒向上延伸。图像显示紧密堆积的均匀球形颗粒。此外，随着衬底温度的升高，晶粒尺寸增大。测量了在300、350、375和400 ℃氧化物下沉积的样品的粗糙度，发现分别为66.84、83.32、70.90和66.23 nm，如图所示。7.第一次会议。（一（20粒度（nm）124H.H. Affy等人/电气系统与信息技术学报1（2014）119××0.00760.00740.00720.0070.00680.00660.00640.0062250 300 350 400 450 500基板温度（ºC）图五.在25分钟喷涂时间下沉积的CdO薄膜的微应变与衬底温度的关系。图六、（A）在喷涂时间25分钟和不同衬底温度（a）300℃，（b）350℃，（c）375℃，（d）400 ℃下沉积的CdO薄膜扫描区域（5µm5µm）的二维和三维AFM图像（B）在喷涂时间25分钟和不同衬底温度（a）300℃，（b）350℃，（c）375℃，（d）400 ℃下沉积的CdO薄膜扫描区域（50µm 50µm）的二维和三维AFM图像微应变（arb.单位）H.H. Affy等人/电气系统与信息技术学报1（2014）119125×−858075706560250 300 350 400 450衬底温度（oC）图7.第一次会议。在300° C、350° C、375° C和400° C以及25 min喷涂时间下沉积的CdO薄膜的表面3.2. 光学性质3.2.1. 衬底温度在喷涂时间25 min和不同衬底温度下制备的CdO薄膜的透射光谱的变化如图8所示。所有样品都显示出透射率的突变，这表明直接转变和良好的结晶度。在450 ~ 1000 nm波长范围内，随着衬底温度的升高，薄膜的透过率提高到80%以上。此外，在1500-2000 nm范围内匹配宽吸收。这条谱带可以归因于自由载流子浓度的增加，这通过薄膜薄层电阻的合理降低来证实（如图所示）。 11）。 吸收系数（α）由透射率数据确定使用此关系式exp（α d）= T，其中d是膜的厚度，T是透射率。在波长500 nm处，α值的估计范围为1.87 -4.33 × 104cm-1对于直接跃迁，吸收系数与带隙通过以下等式相关（Seo，2004;Murthy和Rao，1999）：αhν=A（hν−Eg）1/ 2（3）1009080706050403020100300 ℃350度375摄氏度400 ℃425摄氏度450摄氏度05001000150020002500波长（nm）图8.第八条。在喷涂时间为25 min和不同衬底温度（300 ℃、350 ℃、375℃、400℃、425℃和450 ℃）下制备的CdO薄膜的光学透射率粗糙度（nm）传输率（%）126H.H. Affy等人/电气系统与信息技术学报1（2014）1192.5E+112E+111.5E+111E+11300 ℃350度375摄氏度400 ℃425摄氏度450摄氏度5E+1000 1 2 3 4电子伏特（eV）见图9。 在喷涂时间25 min和不同衬底温度下沉积的CdO薄膜的（αhν）2与光子能量（hν其中A是常数，hν是入射光的能量，Eg是CdO膜的能隙。在不同的衬底温度和喷涂时间25分钟下制备的Cdo薄膜的（αhν）2对h ν的曲线如图所示。9.第九条。 带隙Eg通过外推（αhν）2的线性部分与hνplot到hν轴。发现所获得的带隙值的范围为2.45至2.55 eV，这与报道的范围为2.35至2.5 eV的数据非常一致（Lokhande和Uplane，2001）。 光学带隙的这种变化可以归因于微晶尺寸随温度的变化（Lokhande和Uplane，2001）。3.2.2. 喷雾时间在425 ℃和不同喷涂时间（从5分钟到30分钟）下制备的CdO薄膜的透射光谱如图所示。 10个。随着喷涂时间的增加，观察到的透射率的明显降低可以归因于膜的厚度。的传输范围从80%到60%，从5分钟到30分钟的喷雾时间增加。所获得的能隙，如先前计算的范围从2.4到2.45 eV，这是几乎相同的样品制备在不同的衬底温度。这意味着所制备的CdO薄膜样品的能隙与衬底温度和喷涂时间无关。100805分钟6010分钟15分钟20分钟25分钟4030分钟20005001000150020002500波长（nm）图10个。在衬底温度为425 ℃，不同喷涂时间为5 min、10 min、15 min、20 min、25 min和30 min时制备的CdO薄膜的光学透射率（μ ）2（eVcm-1）2传播率（%）H.H. Affy等人/电气系统与信息技术学报1（2014）1191273.532.521.510.50CdO薄膜的剪切电阻在不同基材温度和25分钟喷涂时间下制备D250350450550基板温度（ºC）图十一岁不同衬底温度和25 min喷涂时间下沉积的CdO薄膜的方块电阻3.3. 电性能在300 ℃到450℃，采用双探针法。图11示出了薄层电阻随衬底温度的变化，观察到，由于自由载流子浓度的增加，薄层电阻随着沉积温度的增加而减小。发现在300°C的衬底温度下沉积的膜具有高电阻。随着衬底温度的升高，薄膜的方块电阻降低到450 ℃时的最小值66▲/4. 结论采用喷雾热解法制备了附着性好、均匀性好、无钉扎的CdO薄膜XRD研究表明，薄膜是立方结构的多晶能隙在2.45-2.55 eV之间结果表明，在基片温度为425 ℃，喷涂时间为25 min时，薄膜具有较好的结构、光学和电学特性。引用Afify，H. H.，El-Hefnawi，S.，Eliwa，A.，Abdel-Naby，M.，Ahamed，N.M.，2005年 具有几乎一个生长面的纯ZnO薄膜的制备。IndianJ.Phys.79（1），19-23.Aksoy，Seval，Caglar，Yasemin，Ilican，Saliha，Caglar，Mujdat，2009. 热处理对溶胶-凝胶法制备CdO薄膜物理性能的影响Int.J.HydrogenEnergy34，5191-5195.Bhosale，C.H.，Kambale，A.V.，Kokate，A.V.，Rajpure，K.Y.，2005年化学喷涂CdO薄膜的结构、光学和电学性质。Mater. Sci. Eng.B122（August（1）），67-71.Chandiramouli河，Jeyaprakash，B.G.，2013年。 CdO薄膜的研究进展 固态科学16，102-110.Dakhel，A.A.，Henari，F.Z.，2003年。 热蒸发CdO薄膜的光学特性。结晶度 Res. 技术 38（11），979-985。Gupta，R.K.，Ghosh，K.，帕特尔河，巴西-地Mishra，S.R.，Kahol，P.K.，2008年用于光电应用的高导电和透明的掺锡氧化镉薄膜。Mater. Lett. 62（September（25）），4103-4105.Gupta，R.K.，Ghosh，K.，帕特尔河，巴西-地Kahol，P.K.，2009年脉冲激光沉积高导电透明掺Ti氧化镉薄膜 Appl. 冲浪。Sci. 255（April（12）），6252-6255.Gurumurugan，K.，Mangalaraj，D.，Narayandass，S.K.，一九九五年喷雾热解法沉积氧化镉薄膜的结构表征。J.Cryst.Growth147，355-360.Jeyaprakash，B.G.，Kesavan，K.，Ashok Kumar，R.，Mohan，S.，Amalarani，A.，2011年。喷雾热解法制备的CdO薄膜的晶粒尺寸和微应变随温度的变化。公牛。脱线。Sci. 34（July（4）），601-605.Kim，H.，R.C.Y.，欧阳，Pique，A.，2008. 用脉冲激光沉积法制备了掺氟SnO2透明导电薄膜。固体薄膜516，5052-5056。Lokhande，B.J.，上飞机，医学博士，2001. 沉积温度对喷射沉积氧化镉薄膜的影响。Mater. Res.Bull.36，439-447. 马德伟，叶志珍，王磊，黄景云，赵炳辉，2003。绝对（200）-CdO薄膜的制备及特性首选方向Mater. Lett. 58，128-131。Moholkar，A.V.，Pawar，S.M.，Rajpure，K.Y.，Almari，S.N.，Patil，P.S.，Bhosale，C.H.，2008年具有类垫形貌的喷涂FTO薄膜的溶剂依赖性生长。太阳能材料。太阳能电池92，1439-1444。薄层电阻（KΩ/）128H.H. Affy等人/电气系统与信息技术学报1（2014）119Murthy，L.C.S.，拉奥K.K.S.R.1999年喷雾热解法制备的CdO薄膜的厚度依赖性电学性质。 Bull. Mater.Sci. 22（October（6）），953-957.Ortega，Mauricio，Santana，Guillermo，Morales-Acevedo，Arturo，2000.CdO/Si光电探测器的光电特性固态电子学44（10），1765-1769。Saha，B.，塔帕河，Chattopadhyay，K.K.，2008年通过氧分压变化宽范围调节射频溅射CdO薄膜的电导率。太阳能材料。太阳能电池92，1077-1080。Santos-Cruz，J.，Torres-Delgado，G.，Castanedo-Pérez河，Jiménez-Sandoval，S.，Márquez-Marín，J.，Zelaya-Angel，O.，2006. p-CdTe薄膜生长参数对Au-Cu/p-CdTe/n-CdO型太阳电池性能的影响SolarEnergy80（February（2）），142-147. Seo，Dong Ju，2004. 喷雾热解法沉积CdO薄膜的结构和光学性质。J. 韩国物理Soc. 45（December（6）），1575-1579. 上飞机，医学博士，Kshirsagar，P.N.，Lokhande，B.J.，Bhosale，C.H.，两千 喷射沉积氧化镉薄膜的特性分析。 Mater.Chem.Phys.64，75-78。Yahya，K.Z.，Adel，Muhanad，2012年。 衬底温度对脉冲激光沉积CdO薄膜结构和光学性能的影响。工程技术J.30（3），416-425.Zaien，M.，Ahmed，N.M.，哈桑，Z.，2012. 纳米晶n-CdO/p-Si太阳能电池的制备与表征超晶格微结构52，800-806。Zhao，Zhiyong，Morel，D.L.，Ferekides，C.S.，2002年。大气金属有机化学气相沉积掺锡氧化镉薄膜的电学和光学性质。ThinSolidFilms413（June（1 -2）），203-211.Zhou，Qiang，Ji，Zhengguo，Hu，BinBin，Chen，Chen，Zhao，Lina，Wang，Chao，2007. 采用直流反应磁控溅射法在室温下制备了低电阻率的CdO透明导电薄膜。Mater. Lett. 61，531-534。