Published February 19, 2021 | Version v1
Publication Open

Synthesis of Al-Doped ZnO Films Assisted with Hollow-Cathode Glow Discharge and Their Characterization

Creators

  • 1. Universidade Federal do Rio Grande do Norte
  • 2. University of Azad Jammu and Kashmir
  • 3. Universidade Federal do Piauí

Description

Transparent conductive oxides, such as aluminum-doped zinc oxide (AZO), are of substantial importance for use in a broad range of applications because of their excellent optical and electrical properties. AZO film can be deposited by using several conventional techniques, although they suffer from limitations such as long deposition time, high cost, and the requirement for complex deposition equipment. Here, we used hollow-cathode glow discharge, which produces a high-density plasma and achieves high deposition efficiency. Remarkably, instead of metallic target materials, we used Al2O3 and ZnO powders filled in the hollow cathode as a target, thus avoiding the need for specifically designed targets in this technique. The films were deposited using mixtures of argon and oxygen at various ratios (0% to 50% oxygen), to improve the film characteristics. The films deposited under all conditions exhibited hexagonal wurtzite ZnO structure, while the grain size increased with increasing oxygen content. The film was thick and porous when using low oxygen content, but became thin and dense with increasing oxygen content. The optical transmittance was found to be strongly dependent on the processing gases used, with the highest transmittance of 84% being attained when using 25% oxygen gas. The bandgap of the films lay between 3.27 eV and 3.33 eV. The highest carrier concentration and mobility were attained when using 25% oxygen, and the Hall resistivity decreased with increasing oxygen content. Besides the excellent transmittance and electrical properties of the deposited films, it is expected that the results of this study will be useful for solar cells and optoelectronic applications due to the relatively low cost of this technique and the lack of specific target requirements.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعتبر الأكاسيد الموصلة الشفافة، مثل أكسيد الزنك المشبع بالألمنيوم (AZO)، ذات أهمية كبيرة للاستخدام في مجموعة واسعة من التطبيقات بسبب خصائصها البصرية والكهربائية الممتازة. يمكن ترسيب فيلم AZO باستخدام العديد من التقنيات التقليدية، على الرغم من أنها تعاني من قيود مثل وقت الترسيب الطويل، والتكلفة العالية، ومتطلبات معدات الترسيب المعقدة. هنا، استخدمنا تفريغ توهج الكاثود المجوف، الذي ينتج بلازما عالية الكثافة ويحقق كفاءة ترسيب عالية. بشكل ملحوظ، بدلاً من المواد المعدنية المستهدفة، استخدمنا مساحيق Al2O3 و ZnO المملوءة في الكاثود المجوف كهدف، وبالتالي تجنبنا الحاجة إلى أهداف مصممة خصيصًا في هذه التقنية. تم ترسيب الأفلام باستخدام خليط من الأرجون والأكسجين بنسب مختلفة (0 ٪ إلى 50 ٪ أكسجين)، لتحسين خصائص الفيلم. أظهرت الأفلام المودعة في جميع الظروف بنية سداسية من الفورتزايت ZnO، بينما زاد حجم الحبوب مع زيادة محتوى الأكسجين. كان الفيلم سميكًا ومساميًا عند استخدام محتوى منخفض من الأكسجين، لكنه أصبح رقيقًا وكثيفًا مع زيادة محتوى الأكسجين. وجد أن النفاذية البصرية تعتمد بشدة على غازات المعالجة المستخدمة، مع تحقيق أعلى نفاذية بنسبة 84 ٪ عند استخدام غاز الأكسجين بنسبة 25 ٪. تتراوح فجوة النطاق الترددي للأفلام بين 3.27 فولت و 3.33 فولت. تم تحقيق أعلى تركيز للحامل والتنقل عند استخدام 25 ٪ من الأكسجين، وانخفضت مقاومة القاعة مع زيادة محتوى الأكسجين. إلى جانب النفاذية الممتازة والخصائص الكهربائية للأغشية المودعة، من المتوقع أن تكون نتائج هذه الدراسة مفيدة للخلايا الشمسية والتطبيقات الإلكترونية الضوئية بسبب التكلفة المنخفضة نسبيًا لهذه التقنية وعدم وجود متطلبات مستهدفة محددة.

Translated Description (French)

Les oxydes conducteurs transparents, tels que l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO), sont d'une importance considérable pour une utilisation dans un large éventail d'applications en raison de leurs excellentes propriétés optiques et électriques. Le film AZOÏQUE peut être déposé en utilisant plusieurs techniques conventionnelles, bien qu'elles souffrent de limitations telles que le temps de dépôt long, le coût élevé et la nécessité d'un équipement de dépôt complexe. Ici, nous avons utilisé une décharge luminescente à cathode creuse, qui produit un plasma de haute densité et atteint une efficacité de dépôt élevée. Remarquablement, au lieu de matériaux cibles métalliques, nous avons utilisé des poudres d'Al2O3 et de ZnO chargées dans la cathode creuse comme cible, évitant ainsi la nécessité de cibles spécifiquement conçues dans cette technique. Les films ont été déposés en utilisant des mélanges d'argon et d'oxygène à différents rapports (0% à 50% d'oxygène), pour améliorer les caractéristiques du film. Les films déposés dans toutes les conditions présentaient une structure hexagonale de wurtzite ZnO, tandis que la taille des grains augmentait avec l'augmentation de la teneur en oxygène. Le film était épais et poreux lors de l'utilisation d'une faible teneur en oxygène, mais devenait mince et dense avec l'augmentation de la teneur en oxygène. La transmittance optique s'est avérée fortement dépendante des gaz de traitement utilisés, la transmittance la plus élevée de 84 % étant atteinte lors de l'utilisation de 25 % d'oxygène gazeux. La bande interdite des films se situe entre 3,27 eV et 3,33 eV. La concentration et la mobilité des porteurs les plus élevées ont été atteintes lors de l'utilisation de 25 % d'oxygène, et la résistivité de Hall diminuait avec l'augmentation de la teneur en oxygène. Outre l'excellente transmittance et les excellentes propriétés électriques des films déposés, on s'attend à ce que les résultats de cette étude soient utiles pour les cellules solaires et les applications optoélectroniques en raison du coût relativement faible de cette technique et de l'absence d'exigences cibles spécifiques.

Translated Description (Spanish)

Los óxidos conductores transparentes, como el óxido de zinc dopado con aluminio (AZO), son de gran importancia para su uso en una amplia gama de aplicaciones debido a sus excelentes propiedades ópticas y eléctricas. La película AZO se puede depositar utilizando varias técnicas convencionales, aunque adolecen de limitaciones como un largo tiempo de deposición, un alto coste y la necesidad de un equipo de deposición complejo. Aquí, utilizamos una descarga luminiscente de cátodo hueco, que produce un plasma de alta densidad y logra una alta eficiencia de deposición. Sorprendentemente, en lugar de materiales objetivo metálicos, utilizamos polvos de Al2O3 y ZnO rellenos en el cátodo hueco como objetivo, evitando así la necesidad de objetivos diseñados específicamente en esta técnica. Las películas se depositaron utilizando mezclas de argón y oxígeno en diversas proporciones (0% a 50% de oxígeno), para mejorar las características de la película. Las películas depositadas en todas las condiciones exhibieron una estructura hexagonal de wurtzita ZnO, mientras que el tamaño de grano aumentó con el aumento del contenido de oxígeno. La película era gruesa y porosa cuando se usaba un bajo contenido de oxígeno, pero se volvía delgada y densa con el aumento del contenido de oxígeno. Se encontró que la transmitancia óptica depende en gran medida de los gases de procesamiento utilizados, alcanzándose la transmitancia más alta del 84% cuando se utiliza un 25% de gas oxígeno. La banda prohibida de las películas estaba entre 3,27 eV y 3,33 eV. La mayor concentración de portadores y movilidad se alcanzaron cuando se usó un 25% de oxígeno, y la resistividad de Hall disminuyó con el aumento del contenido de oxígeno. Además de la excelente transmitancia y propiedades eléctricas de las películas depositadas, se espera que los resultados de este estudio sean útiles para células solares y aplicaciones optoelectrónicas debido al costo relativamente bajo de esta técnica y la falta de requisitos específicos de destino.

Files

SynthesisOfAl-DopedZn_FEITOR_2021.pdf.pdf

Files (6.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:70b60687ad6ab6c6c52fa2e6ee698543
6.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
توليف أفلام ZnO الدوبيد بمساعدة تفريغ توهج الكاثود المجوف وتوصيفها
Translated title (French)
Synthèse de films ZnO dopés à l'Al assistés par décharge luminescente à cathode creuse et leur caractérisation
Translated title (Spanish)
Síntesis de películas de ZnO dopadas con Al asistidas con descarga luminiscente de cátodo hueco y su caracterización

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3130834210
DOI
10.1007/s11664-021-08802-1

Is supplement to
https://openalex.org/W4300648831 (Other)
https://openalex.org/W4230318213 (Other)
https://openalex.org/W3215705662 (Other)
https://openalex.org/W3123417251 (Other)
https://openalex.org/W2119934469 (Other)
https://openalex.org/W2111660569 (Other)
https://openalex.org/W2054428712 (Other)
https://openalex.org/W2050568022 (Other)
https://openalex.org/W2042168282 (Other)
https://openalex.org/W1982062591 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1193191049
  • https://openalex.org/W1211461324
  • https://openalex.org/W1966038622
  • https://openalex.org/W1971023238
  • https://openalex.org/W1979443769
  • https://openalex.org/W1979798608
  • https://openalex.org/W1981429750
  • https://openalex.org/W1982660192
  • https://openalex.org/W1984072459
  • https://openalex.org/W1997897618
  • https://openalex.org/W2003741854
  • https://openalex.org/W2006374280
  • https://openalex.org/W2013003508
  • https://openalex.org/W2013691081
  • https://openalex.org/W2019128604
  • https://openalex.org/W2021098828
  • https://openalex.org/W2024247501
  • https://openalex.org/W2025430044
  • https://openalex.org/W2026538722
  • https://openalex.org/W2032045069
  • https://openalex.org/W2035964102
  • https://openalex.org/W2045092146
  • https://openalex.org/W2045360112
  • https://openalex.org/W2061721754
  • https://openalex.org/W2062410309
  • https://openalex.org/W2068746295
  • https://openalex.org/W2082518054
  • https://openalex.org/W2083902921
  • https://openalex.org/W2084676846
  • https://openalex.org/W2089645573
  • https://openalex.org/W2090952572
  • https://openalex.org/W2095307256
  • https://openalex.org/W2130948069
  • https://openalex.org/W2138554037
  • https://openalex.org/W2167432267
  • https://openalex.org/W2301733751
  • https://openalex.org/W2381434520
  • https://openalex.org/W2511762004
  • https://openalex.org/W2556013891
  • https://openalex.org/W2557340475
  • https://openalex.org/W2578466010
  • https://openalex.org/W2616560112
  • https://openalex.org/W2662383961
  • https://openalex.org/W2741267471
  • https://openalex.org/W2747942153
  • https://openalex.org/W2765583860
  • https://openalex.org/W2803519345
  • https://openalex.org/W2808004583
  • https://openalex.org/W2890950912
  • https://openalex.org/W2910823830
  • https://openalex.org/W2953257118
  • https://openalex.org/W2969532616
  • https://openalex.org/W3009517977
  • https://openalex.org/W3046559123
  • https://openalex.org/W3086792110
  • https://openalex.org/W596409589