Effets de l'épaisseur de la bicouche sur les propriétés morphologiques, optiques et électriques des nanolaminés Al2O3/ZnO

Contexte

Le nanolaminé est une structure composite formée par différentes séquences d'empilement de divers matériaux, et l'épaisseur de la couche est générale à l'échelle nanométrique [1,2,3,4]. Cette structure multicouche peut conférer au nanolaminé des propriétés uniques, et ces propriétés dépendent ou peuvent être meilleures que celles des matériaux constitutifs [5,6,7]. Ces dernières années, un nouveau type de matériaux basés sur la structure du nanolaminé a commencé à être utilisé pour les dispositifs de stockage d'énergie [8], les éléments optiques innovants [9] et les substrats sensibles à la température pour les biocapteurs [10]. Récemment, Viter et al. exploré sur le réglage des propriétés structurelles et l'amélioration des propriétés électroniques et optiques du PAN 1D (polyacrylonitrile) ZnO/Al₂ O₃ nanostratifiés qui permettront des applications dans différents domaines tels que les capteurs et les biocapteurs [11]. Baitimirova et al. a également étudié le réglage des propriétés structurelles et optiques des nanolaminés de graphène/ZnO qui peuvent trouver des applications dans les capteurs optiques, bio- et chimiques [12].

En tant que l'un des candidats les plus prometteurs pour les matériaux d'oxyde conducteur transparent (TCO), le film ZnO dopé à l'Al (AZO) présente de nombreux avantages, tels que des ressources abondantes, un faible coût, une non-toxicité et une bonne stabilité dans le plasma d'hydrogène. Dans les investigations générales, le contrôle du niveau de dopage Al est une méthode courante pour améliorer et modifier les comportements optiques et électriques des matériaux AZO [13, 14], ce qui est crucial pour réaliser la fonctionnalisation et l'accordabilité des dispositifs basés sur le TCO [15, 16]. Cependant, peu de rapports impliquent la modulation des performances d'AZO en modifiant les structures d'Al₂ O₃ /Nanostratifiés de ZnO qui sont plus simples et efficaces dans le processus de fabrication de semi-conducteurs.

La technique de dépôt de couche atomique (ALD) convient à la fabrication de structures nanostratifiées à des fins et applications différentes [17,18,19]. Cette technique est basée sur des réactions chimiques de surface auto-limitantes avec un excellent effet de dépôt, ce qui peut rendre les épaisseurs de nanocouches individuelles bien contrôlées pour l'empilement composite. De plus, entre différentes sous-couches, une bonne nucléation et une bonne adhérence peuvent être réalisées en concevant les réactions de surface. Par conséquent, des nanostratifiés de haute qualité avec une surface uniforme et lisse peuvent être réalisés par la technique ALD, et l'épaisseur peut également être contrôlée avec précision.

Dans cet ouvrage, Al₂ O₃ et des matériaux ZnO ont été adoptés pour réaliser les structures nanostratifiées afin d'étudier les caractéristiques accordables de l'AZO en modifiant l'épaisseur de la bicouche d'Al₂ O₃ /Nanolaminés de ZnO. Nous étudions leurs propriétés morphologiques, optiques et électriques. Le mécanisme de croissance des nanostratifiés et la pénétration d'Al dans la couche de ZnO sont proposés et discutés. Avec bicouche décroissante Al₂ O₃ /épaisseur de ZnO dans les nanolaminés, le décalage vers le bleu de la bande interdite est observé et discuté sur la base de l'effet Burstein-Moss (BM), de l'effet de confinement quantique et de l'évolution caractéristique des nanolaminés. Les propriétés électriques accordables sont exposées en utilisant un système de mesure basé sur l'effet Hall. Il donne des références précieuses et des idées selon lesquelles un conducteur transparent et une couche à haute résistance peuvent être obtenus en faisant varier l'épaisseur de la bicouche dans les nanolaminés.

Méthodes

Synthèse de Nanolaminés par ALD

Al₂ O₃ /Nanolaminés de ZnO à base d'Al₂ O₃ -Des empilements de bicouches de ZnO ont été déposés sur SiO₂ Substrats /Si et quartz par technique ALD. Pendant la procédure de dépôt, la température du réacteur (PICOSUN) était de 150 °C. Les précurseurs de Zn, Al et O étaient le diéthylzinc [DEZ; Zn(C₂ H₅ )₂ ], triméthylaluminium [TMA; Al (CH₃ )₃ ], et de l'eau déminéralisée (H₂ O), respectivement. Le précurseur et le gaz de purge étaient l'azote de haute pureté (N₂ , débit 50 scccm). Il était utilisé pour transporter les précurseurs dans la chambre et faire sortir les produits inutiles de la chambre.

Afin de faire croître l'Al₂ O₃ couches, la TMA et H₂ O ont été alternativement amenés dans la chambre du réacteur via TMA-H₂ O cycles (TMA/exposition/N₂ /H₂ O/exposition/N₂ ) avec un temps d'impulsion de 0,03/3/15/0,03/5/15 s. Les réactions de surface de l'ALD Al₂ O₃ les couches peuvent être définies par deux réactions auto-limitantes comme suit [20] :

où les astérisques indiquent les espèces de surface. Quant aux couches de ZnO, DEZ-H₂ O cycles de ZnO étaient les mêmes que le TMA-H₂ O. Les réactions de surface des couches ALD ZnO sont données par [20]

où les astérisques indiquent également les espèces de surface. Le schéma de structure d'ALD Al₂ O₃ Les nanolaminés /ZnO sont illustrés à la Fig. 1. Pour tous les nanolaminés, l'interface avec le substrat était Al₂ O₃ , tandis que le ZnO était la couche supérieure à la surface des nanostratifiés. La bicouche est constituée de deux couches individuelles, c'est-à-dire Al₂ O₃ et ZnO, avec la même épaisseur. Afin de garantir les mêmes épaisseurs de nanolaminés totaux, le nombre de bicouche a été augmenté avec la diminution de l'épaisseur de la bicouche. Ainsi, cinq types d'échantillons ont été préparés, nommés 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm), 10 (5/5 nm), 25 (2/2 nm) et 50 (1/1 nm) . Les détails sont disponibles dans le tableau 1. Notez que les paramètres du tableau 1 sont des valeurs empiriques, qui sont résumées à partir de nos expériences préliminaires.

Le schéma de structure de l'Al₂ O₃ /Nanolaminés de ZnO

Caractérisation

La caractérisation morphologique d'Al₂ O₃ /ZnO nanostratifiés a été réalisé par microscope électronique à transmission (MET; FEI Tecnai G2 F20) et microscopie à force atomique (AFM; Bruker Dimension Icon VT-1000, Santa Barbara, CA). L'épaisseur, les constantes optiques et les informations sur la bande interdite ont été déterminées par des mesures d'ellipsométrie spectroscopique (SE ; J.A. Woollam, Inc., M2000X-FB-300XTF) dans la gamme de longueurs d'onde de 200 à 1 000 nm sous un angle d'incidence de 65 °. La transmittance optique des nanostratifiés a également été étudiée dans la gamme de longueurs d'onde de 200 à 1 000 nm à l'aide d'un spectrophotomètre à double faisceau (Shimadzu UV-3600). Un système de mesure à effet Hall (Ecopia HMS3000) a été utilisé pour obtenir les propriétés électriques des échantillons avec une sonde à quatre points.

Résultats et discussion

Caractéristiques morphologiques

Nanolaminés avec différentes épaisseurs de bicouches cultivés sur SiO₂ Les substrats /Si ont été mesurés sur des sections transversales avec MET. Trois exemples illustratifs de nanostratifiés avec une épaisseur de bicouche de 50, 10 et 2 nm sont présentés sur la figure 2, y compris les images à fort grossissement d'échantillons de 50 et 10 nm. Des limites claires peuvent être observées entre Al₂ O₃ et des couches de ZnO, et l'épaisseur des nanostratifiés totaux est indiquée. A l'aide de mesures de diffraction des rayons X (Bruker D8 ADVANCE) à l'avance (non données ici), nous ne trouvons pas de pics caractéristiques d'Al₂ O₃ et ZnO, et donc que tous les nanostratifiés cultivés ont un état amorphe. Cette déclaration peut être vérifiée par les images MET à fort grossissement. Même si Al₂ O₃ Les échantillons de /ZnO 2 (25/25 nm) ont la bicouche la plus épaisse dans ce travail, le processus de cristallisation n'y existe pas.

Images MET d'Al₂ O₃ /Nanostratifiés de ZnO avec différentes épaisseurs de bicouche :a 50 nm, b 10 nm, et c 2 nm. Et des images à fort grossissement :d 50 nm et e 10 nm

Comme indiqué ailleurs [6, 21], l'Al₂ O₃ couche dans Al₂ O₃ /Les nanostratifiés de ZnO préparés par la méthode ALD sont toujours en phase amorphe et peuvent bloquer la croissance cristalline de ZnO car le ZnO est obligé de se renucléer sur l'Al₂ O₃ surface. Le processus de cristallisation des couches ultraminces est très complexe et de nombreux facteurs doivent être pris en compte, tels que les énergies d'interface, l'épaisseur des couches, le point de fusion du système et la température de cristallisation amorphe en vrac [6, 22]. Viter et al. découvert que Al₂ O₃ Les nanolaminés /ZnO avec une épaisseur de bicouche de 20 nm (rapport 1:1) ont une nature amorphe et ils ont attribué ce résultat à l'épaisseur minimale requise pour permettre la cristallisation [22]. Lopez et al. ont trouvé un phénomène similaire et ils ont pensé que la durée d'impulsion ainsi que la durée de purge de la procédure de croissance étaient trop courtes pour donner à leurs films suffisamment de temps pour générer un certain ordre et des phases cristallines [23]. Pendant ce temps, le rayon de Bohr du ZnO en vrac est de 23 Å [4]. Al₂ O₃ /ZnO 25 (2/2 nm) et Al₂ O₃ Les nanostratifiés /ZnO 50 (1/1 nm) ont des épaisseurs de ZnO inférieures au rayon de Bohr ; par conséquent, l'effet de confinement quantique doit être pris en considération. Surtout pour les sous-couches semi-conductrices ZnO, on pense que cet effet peut provoquer un changement spectaculaire du comportement diélectrique [21], et nous en discuterons dans le contenu suivant.

Pour étudier les morphologies de surface des nanolaminés, la mesure AFM est appliquée pour les échantillons déposés sur SiO₂ /Si substrats, et les résultats 3D sont présentés sur la figure 3. On peut observer que les caractéristiques en forme de colline sont dominées sur la surface de l'échantillon et que la hauteur de la surface diminue avec l'épaisseur de la bicouche inférieure. Échantillons avec de faibles épaisseurs de bicouche, c'est-à-dire Al₂ O₃ /ZnO 25 (2/2 nm) et Al₂ O₃ /ZnO 50 (1/1 nm), montre une surface lisse avec une rugosité de surface insignifiante. La rugosité quadratique moyenne R _q de chaque nanolaminé est estimé à partir des données AFM et varie approximativement de 0,81 à 1,30 nm. De plus, la relation entre l'épaisseur de la bicouche et R _q est révélé dans la Fig. 4. Au début, les valeurs de R _q montrent un comportement linéaire vs l'augmentation de l'épaisseur de la bicouche, puis il reste stable lorsque l'épaisseur de la bicouche augmente jusqu'à une certaine valeur, comme c'est le cas pour d'autres études [23, 24]. L'Al₂ O₃ dans ce travail est en phase amorphe dans les conditions de croissance ci-dessus, ce qui a également été prouvé dans notre rapport précédent [25]. L'Al₂ amorphe O₃ La couche est très lisse et conforme à la topographie des couches de ZnO sous-jacentes [26]. Comme mentionné ci-dessus, en raison de l'interposition d'Al₂ O₃ couche, la croissance cristalline de ZnO est par conséquent interrompue. En limitant la taille des nanocristaux de ZnO, les Al₂ interposés O₃ les couches empêchent l'Al₂ O₃ /Nanostratifiés de ZnO issus de la rugosité [24]. Il a été prouvé que cet effet lisse a peu à voir avec l'Al₂ O₃ épaisseur de couche et ne concerne que le nombre d'Al₂ interposés O₃ couches [24]. Par conséquent, avec la diminution de l'épaisseur de la bicouche, plus d'Al₂ O₃ des couches ont été interposées dans les nanolaminés pour lisser la rugosité, ce qui rend les nanolaminés plus lisses. Lorsque l'épaisseur de la bicouche augmente jusqu'à une certaine valeur, cet effet de lissage n'est plus évident.

Images AFM 3D de nanolaminés avec différentes épaisseurs de bicouche :a 2 (25/25 nm), b 5 (10/10 nm), c 10 (5/5 nm), d 25 (2/2 nm) et e 50 (1/1 nm)

Rugosité de surface des nanostratifiés avec différentes épaisseurs de bicouche

Propriétés optiques

En effectuant une mesure SE [17, 27, 28] basée sur l'enregistrement et le calcul du changement d'une lumière polarisée linéairement réfléchie à partir de la surface des échantillons, les constantes optiques et l'épaisseur du film des nanostratifiés peuvent être déduites des données brutes. Afin d'obtenir des détails plus précis, les nanolaminés cultivés sur SiO₂ Les substrats /Si sont choisis comme objet de test en raison de leur opacité à la lumière lors des mesures SE. Après l'acquisition des données brutes, un modèle multicouche est construit contenant un substrat Si semi-infini, SiO₂ couche et couche AZO, comme indiqué sur la figure 5. Les nanostratifiés, c'est-à-dire la couche AZO dans le modèle, sont considérés comme un tout à ajuster. La couche d'oxydation du substrat Si est d'environ 330 nm, qui est directement substituée dans le modèle sans ajustement. De plus, aucune approximation efficace des médias de Bruggeman n'est introduite dans ce modèle optique en raison des rugosités de surface ignorables des échantillons sur la base des résultats de l'AFM. Du fait de ce modèle optique, le modèle de dispersion Forouhi-Bloomer (FB) est utilisé pour ajuster les spectres d'ellipsométrie (Ψ et Δ dans la plage de 200 à 1 000 nm) des nanolaminés [29, 30]. L'épaisseur finale et les propriétés optiques sont ajustées et évaluées pour minimiser l'erreur quadratique moyenne (RMSE) qui suit :

Modèle optique d'échantillons cultivés sur SiO₂ Substrat /Si pour l'analyse SE

Ici, N , M , exp et cal représentent respectivement le nombre de points de données dans les spectres, le nombre de paramètres variables dans le modèle, les données expérimentales et les données calculées.

Les épaisseurs ajustées des nanostratifiés sont présentées dans le tableau 2. Elles sont très proches des valeurs obtenues à partir des mesures MET, indiquant la précision du processus d'ajustement. L'erreur d'ajustement RMSE est également révélée dans le tableau 2, et la valeur est dans les limites autorisées, démontrant la fiabilité des résultats d'ajustement. Les épaisseurs des échantillons 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) et 10 (5/5 nm) montrent une tendance régulière, et la petite fluctuation résulte de divers degrés de réactions chimiques de surface ALD. En revanche, les épaisseurs des échantillons 25 (2/2 nm) et 50 (1/1 nm) diminuent évidemment avec la diminution de l'épaisseur de la bicouche. Il s'ensuit que l'Al₂ O₃ Les nanolaminés /ZnO présentent une épaisseur différente avec une faible épaisseur de bicouche, même si le nombre de cycles reste le même dans le processus de dépôt. Le tableau 3 résume les taux de croissance d'Al₂ O₃ et des sous-couches de ZnO (rapport d'épaisseur 1:1) en utilisant les épaisseurs répertoriées dans le tableau 2. Les valeurs augmentent dans un premier temps et se saturent finalement lorsque les cycles en sous-couches augmentent. La variation de l'épaisseur du film et du taux de croissance peut résulter de la réaction interfaciale entre Al₂ O₃ et les couches de ZnO qui seront introduites dans le contenu suivant, et les échantillons avec une épaisseur de bicouche inférieure seront plus affectés. Karvonen et al. ont donné une explication similaire, et ils ont attribué la variation du taux de croissance à la gravure TMA de ZnO au cours de l'Al₂ O₃ croissance [7]. Elam et al. ont constaté que les taux de croissance d'Al₂ O₃ et ZnO augmentent avec le nombre de cycles ALD [24]. Ils ont conclu que le taux de croissance réduit des premiers cycles ALD peut résulter du processus de nucléation se produisant lors de la transition de Al₂ O₃ à ZnO et de ZnO à Al₂ O₃ . Ce n'est que lorsque de nouveaux cristaux se forment que le taux de croissance atteint la valeur à l'état d'équilibre.

Les constantes optiques de Al₂ O₃ /Les nanostratifiés de ZnO sont illustrés à la Fig. 6. Il montre divers indices de réfraction n et coefficient d'extinction k avec différentes épaisseurs de bicouche. La figure 6a décrit les spectres de dispersion d'indice de réfraction des nanostratifiés avec différentes épaisseurs de bicouche. Les valeurs de n diminue progressivement avec le déclin de l'épaisseur de la bicouche dans la plage de 50 à 2 nm en raison du changement de croissance et de la pénétration d'Al [21, 31]. Le n (λ ) caractéristique du ZnO peut être observée pour les nanolaminés avec des épaisseurs de bicouche de 50, 20 et 10 nm. Et cette forme de ligne dégénère lentement et disparaît lorsque l'épaisseur de la bicouche est inférieure à 4 nm. Par conséquent, le n (λ ) les caractéristiques ont tendance à se comporter comme Al₂ O₃ comme le montre l'échantillon 50 (1/1 nm). Le k les spectres de dispersion peuvent être trouvés sur la Fig. 6b. Différentes courbes représentent différents échantillons avec différentes épaisseurs de bicouche. Dans la région de 430 à 1 000 nm, les coefficients d'extinction sont approximativement égaux à 0, c'est-à-dire que les nanostratifiés sont presque transparents dans cette région de longueur d'onde. Pendant ce temps, un décalage vers le bleu se produit au bord d'absorption avec une épaisseur de bicouche décroissante. La distance de décalage des échantillons 25 (2/2 nm) et 50 (1/1 nm) est plus grande, de sorte que le bord d'absorption sort progressivement de la région spectrale et présente les caractéristiques de Al₂ O₃ . Dans l'ensemble, les caractéristiques des constantes optiques passent de ZnO à Al₂ O₃ . Les changements observés de n et k pourrait être déterminé par deux phénomènes physiques. D'une part, ils sont affectés par l'effet de confinement quantique. Nous pouvons voir que les échantillons 25 (2/2 nm) et 50 (1/1 nm) ont des épaisseurs de sous-couche inférieures au rayon de Bohr du ZnO en vrac, de sorte que leurs comportements diélectriques changent plus radicalement que les autres échantillons. D'autre part, il est basé sur le mécanisme de croissance qui conduit à la pénétration d'Al dans les couches de ZnO [22, 24]. Selon le mécanisme de croissance, la réaction de substitution de Zn avec Al peut se produire à l'interface entre ZnO et Al₂ O₃ calques :

où ZnO-OH et Al (C₂ H₅ )₃ sont la substance à la surface et la phase gazeuse, de manière correspondante. En raison de cette réaction interfaciale, le dopage Al dans les couches de ZnO peut se produire et le rapport ZnO dans les nanostratifiés peut être réduit. Par conséquent, avec la diminution de l'épaisseur de la bicouche, l'interface entre ZnO et Al₂ O₃ couches augmente, et le rapport de ZnO dans les nanostratifiés diminue en conséquence. Cela peut être vérifié par les images MET à fort grossissement illustrées à la Fig. 2d, e. Lorsque l'épaisseur de la bicouche diminue, les limites entre Al₂ O₃ et les couches de ZnO deviennent plus larges et plus floues. Il fait passer la caractéristique des nanolaminés entiers à celle de l'Al₂ O₃ .

Les constantes optiques des nanostratifiés cultivés sur SiO₂ /Si substrat. un L'indice de réfraction n . b Le coefficient d'extinction k

Pour une meilleure compréhension du décalage vers le bleu du bord d'absorption, une extrapolation Tauc est appliquée pour évaluer les informations de bande interdite des nanolaminés avec une épaisseur de bicouche de 50, 20 et 10 nm. Pour évaluer les énergies de bande interdite, les coefficients d'extinction des nanostratifiés ont été utilisés. Les coefficients d'extinction, de bande interdite et d'absorption sont associés selon les formules suivantes [32] :

où α est le coefficient d'absorption optique, A est une constante, et E _g est l'énergie de la bande interdite optique. Sur la base des éq. (7) et (8), une parcelle de (αhν ) ² contre hν a été faite comme démontré dans la Fig. 7. La valeur de l'énergie de la bande interdite E _g peut être déterminé graphiquement par x axe et l'ajustement linéaire dans la partie linéaire du bord d'absorption, qui est fourni dans la figure en médaillon de la Fig. 7. L'information sur la bande interdite des échantillons 25 (2/2 nm) et 50 (1/1 nm) n'est pas révélée sur la Fig. . 7, car la partie linéaire du bord d'absorption dépasse la plage spectrale issue des spectres du coefficient d'extinction, ce qui pourrait conduire à des résultats inexacts. À partir de la figure 7, on peut voir que l'énergie de la bande interdite du nanolaminé affiche une tendance croissante avec une épaisseur de bicouche décroissante, ce qui pourrait être interprété par l'effet BM [33,34,35]. Interposé Al ³⁺ remplace Zn ²⁺ dans l'interface de Al₂ O₃ /ZnO couches et fournit un électron supplémentaire. Ainsi, dans les nanostratifiés, la concentration de porteurs libres augmente, provoquant le déplacement de l'énergie de la bande interdite vers une région d'énergie plus élevée. L'équation suivante peut décrire cet effet exactement [35] :

où ΔE _g ^BM et E _g ⁰ représentent l'augmentation de la bande interdite causée par l'effet BM et la bande passante interdite intrinsèque, tandis que h , m _e ^* , et n _e sont respectivement la masse d'électrons constante et effective de la planche dans la bande de conduction et la densité de porteurs d'électrons.

Bande interdite optique évaluée de nanostratifiés avec différentes épaisseurs de bicouche

La figure 8 donne les spectres de transmittance et d'absorbance de l'ensemble du groupe. On peut constater que des bords d'absorption nets sont situés dans la région de 200 à 400 nm, à savoir la région ultraviolette. Il est important de noter que les bords d'absorption se déplacent vers la longueur d'onde la plus courte (décalage vers le bleu) avec une épaisseur de bicouche décroissante, et cette tendance est exactement proche des résultats précédents calculés à partir de la mesure SE. Ce décalage vers le bleu est dû à l'effet BM qui fait augmenter la bande interdite. Cependant, le décalage vers le bleu n'est pas successif, car dans les nanolaminés de 25 (2/2 nm) et 50 (1/1 nm), l'effet de confinement quantique devient dominant, et la réaction interfaciale s'intensifie ce qui fait que les nanolaminés présentent les caractéristiques de Al₂ O₃ progressivement. À ce stade, le décalage vers le bleu est la contribution totale de l'effet BM, de l'effet de confinement quantique et de l'évolution caractéristique des nanolaminés. C'est-à-dire que ces trois facteurs provoquent l'énorme décalage du bord d'absorption. Dans l'ensemble, le bord d'absorption peut être modulé par l'épaisseur de la bicouche dans la région ultraviolette (200-400 nm). Selon cela, il peut être appliqué comme détecteur ultraviolet. De plus, tous les Al₂ O₃ Les nanolaminés /ZnO présentent une transmittance supérieure à 90 % dans la région visible et proche infrarouge, ainsi qu'un bord de bande d'absorption net. La transmittance montre ici une valeur et une tendance presque similaires à celles de nombreux autres matériaux TCO [36], ce qui permet d'être appliqué en tant que matériau TCO.

un Transmission et b spectres d'absorbance des nanostratifiés cultivés sur des substrats de quartz avec différentes épaisseurs de bicouche

Propriétés électriques

La mesure de l'effet Hall est effectuée pour corréler les analyses avec les propriétés électriques de l'Al₂ O₃ /Nanolaminés de ZnO. Les nanolaminés préparés sur des substrats de quartz sont sélectionnés comme échantillons de test pour éliminer la distribution spatiale de résistivité, et la figure 9 affiche les résultats des tests. Au début, la concentration en porteurs et la résistivité changent peu et restent autour de 10 ¹⁹ cm ⁻³ et 10 ⁻² Ω cm, respectivement. Avec une épaisseur de bicouche décroissante, la concentration en porteurs chute fortement et la résistivité augmente également. Il peut être interprété par la réaction interfaciale de Al₂ O₃ /ZnO qui se traduit par l'évolution caractéristique des nanostratifiés. Les nanostratifiés présentent une isolation caractéristique de l'Al₂ O₃ progressivement et réalisez l'accordabilité de la résistivité en changeant leur épaisseur de bicouche. De plus, les valeurs de la concentration en porteurs des nanolaminés 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) et 10 (5/5 nm) sont de 4,99 × 10 ¹⁹ , 5,26 × 10 ¹⁹ , et 8,91 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , respectivement. Il montre une croissance lente conformément à l'explication des résultats de la bande interdite et des valeurs approximativement égales à celles des matériaux TCO d'après les résultats d'autres rapports [25, 37]. Ainsi, ces trois types de nanostratifiés possèdent non seulement une conductivité électrique favorable, mais également une excellente transmission de la lumière dans le visible et le proche infrarouge. C'est vital pour Al₂ O₃ /ZnO nanolaminés pour jouer un rôle dans le domaine des conducteurs transparents. Les échantillons 25 (2/2 nm) et 50 (1/1 nm) présentent une caractéristique d'isolation et réalisent l'accordabilité de la résistivité, qui peut être appliquée comme couche à haute résistivité dans les dispositifs à semi-conducteur.

Concentration de porteurs et résistivité de nanostratifiés cultivés sur substrat de quartz avec différentes épaisseurs de bicouche

Conclusions

Nous avons étudié les propriétés morphologiques, optiques et électriques de Al₂ O₃ /ZnO nanostratifiés parmi différentes épaisseurs de bicouches allant de 2 à 50 nm. Les limites de couche claires et la faible rugosité de surface montrent des morphologies de haute qualité des nanostratifiés préparés par la méthode ALD. Avec la diminution de l'épaisseur de la bicouche, inséré Al₂ O₃ les couches de nanolaminés commencent à limiter la rugosité, ce qui rend les nanolaminés plus lisses. Lorsque l'épaisseur de la bicouche atteint une certaine valeur, cette limitation de rugosité peut être ignorée. L'épaisseur, les constantes optiques et les informations sur la bande interdite des nanostratifiés ont été extraites de l'analyse SE. Avec une épaisseur de bicouche décroissante, le bord d'absorption du coefficient d'extinction a un décalage vers le bleu et les énergies de bande interdite optique montrent une tendance croissante, car l'effet BM, l'effet de confinement quantique et l'évolution caractéristique des nanolaminés ont une influence significative sur eux. Ce décalage vers le bleu se produit également dans les spectres de transmission et d'absorbance avec une transmittance élevée au-delà de 90 % dans la région visible et proche infrarouge. De plus, en faisant varier l'épaisseur de la bicouche, les propriétés électriques présentent également deux types de caractéristiques, et la modulation des caractéristiques est réalisée. Les nanostratifiés 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) et 10 (5/5 nm) présentent une concentration élevée en porteurs supérieure à 10 ¹⁹ cm ⁻³ , qui peut être appliqué comme matériau conducteur transparent. De plus, les nanostratifiés 25 (2/2 nm) et 50 (1/1 nm) possédant une résistivité élevée peuvent être utilisés comme couche à haute résistivité dans le processus de fabrication de semi-conducteurs.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

ALD :

Dépôt de couche atomique

AZO :

ZnO dopé Al

BM :

Burstein-Mousse

DEZ :

Diéthylzinc

FB :

Forouhi-Bloomer

RMSE :

Erreur quadratique moyenne

SE :

Ellipsométrie spectroscopique

TCO :

Oxyde conducteur transparent

TEM :

Microscope électronique à transmission

TMA :

Trimethylaluminum