Вісник Львівського університету. Серія фізична 57 (2020) с. 56-64
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.57.2020.56

Вплив концентрації легуючих домішок і кристалічної структури на край поглинання плівок ZnO:Co

Б. Турко, Л. Топоровська, Ю. Еліяшевський, В. Капустяник, У. Мостовой, Ю. Кулик, М. Рудко

Методом високочастотного магнетронного розпилення на скляних підкладках в атмосфері робочого газу аргону за тиску 0,1 Па, потужності генератора високочастотних коливань 75 Вт, індукції магнітного поля 0,1 Тл, відстані між мішенню та підкладкою 6 см та за температури підкладок 300°С, отримано плівки ZnO і ZnO:Со (2, 4, 6, 8, 10 і 12 ваг. \%) товщиною 2 мкм. Досліджено кристалічну структуру та спектри поглинання цих плівок. Для усіх експериментальних зразків найбільш інтенсивним у спектрах дифракції Х-променів був пік (002). У спектрах дифракції Х-променів плівок ZnO:Со (6, 8, 10 і 12 ваг. \%), окрім інтенсивного піку (002) спостерігався ще й пік (101). Для жодного з експериментальних плівкових зразків не виявлено дифракційних піків, пов’язаних з наявністю металічного кобальту чи його оксидів. Розраховані за формулою Дебая–Шерера середні розміри кристалітів у плівках знаходилися у діапазоні від 68 нм до 89 нм. Для пояснення явища структурного розвпорядкування в плівках ZnO:Со (6, 8, 10 і 12 ваг. \%) висунуто гіпотезу, проте що атоми кобальту при концентраціях легуючої домішки, вищих за 4 ваг. \%, не лише заміщають атоми цинку у вузлах кристалічної ґратки ZnO, а й починають займати міжвузлові позиції. З підвищенням концентрації домішки кобальту спостерігалося зміщення краю поглинання плівок ZnO:Со в короткохвильову область спектру. На основі проведеного аналізу спектрів оптичного поглинання плівок ZnO та ZnO:Co (2, 4, 6, 8, 10 і 12 ваг. \%) було отримано приблизні значення їхніх оптичних ширин заборонених зон Еg: 3,30 еВ; 3,49 еВ; 3,50 еВ; 3,50 еВ; 3,66 еВ; 3,67 еВ та 3,68 еВ, відповідно. Концентрація вільних носіїв заряду у плівках ZnO:Co виявилася порядку 1019 см-3. Продемонстровано, що зсув краю фундаментального поглинання у плівках ZnO:Co при збільшенні концентрації домішки зумовлений ефектом Бурштейна–Мосса.

Текст статті (pdf)


Список посилань
  1. Ozgur U. A comprehensive review of ZnO materials and devices / U. Ozgur, Y. Alivov, C. Liu [et al.] // Journal of Applied Physics. – 2005. – V. 98. – P. 041301-1–041301-103. https://doi.org/10.1063/1.1992666.
  2. Bellingeri E. Influence of free charge carrier density on the magnetic behavior of (Zn,Co)O thin film studied by field effect modulation of magnetotransport / E. Bellingeri, S. Rusponi, A. Lehnert [et al.] // Scientific Reports. –2019. – V. 9. – P. 149-1–149-12. https://doi.org/10.1038/s41598-018-36336-w
  3. Moosavi F. Hydrogen sensing properties of Co-doped ZnO nanoparticles / F. Moosavi, M. E. Bahrololoom, R. Kamjou [et al.] // Chemosensors. – 2018. – V. 6. – P. 61-1–61-11. https://doi.org/10.3390/chemosensors6040061
  4. Nichev H. Sensitivity of Co doped ZnO films to NH3 at room temperature – influence of the deposition temperature / H. Nichev, O. Angelov, J. Pivin [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. – 2008. – V. 113. – P. 012035-1–012035-4. https://doi.org/10.1088/1742-6596/113/1/012035
  5. Basit M. Cobalt doping effects on zinc oxide transparent conducting thin films / M. Basit, N. A. Shah, S. M. Ali, A. Zia // World Applied Sciences Journal. – 2014. – V. 32. – P. 1664–1670. https://doi.org/10.5829/idosi.wasj.2014.32.08.787
  6. Xu C. Preparation, characterization and photocatalytic activity of Co-doped ZnO powders / C. Xu, L. Cao, G. Su, W. Liu [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – V. 497. – P. 373–376. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.03.076
  7. Li M. Structural and optical properties of cobalt doped ZnO nanocrystals / M. Li, J. Xu, X. Chen [et al.] // Superlattices and Microstructures. – 2012. – V. 52. – P. 824–833. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2012.07.014
  8. Taskin M. Structural, optical and electrical properties of pure and Co-doped ZnO nano fiber thin films prepared by spray pyrolysis / M. Taskin, J. Podder // App. Sci. Report. – 2015. – V. 9. – P. 1–6. https://doi.org/10.15192/PSCP.ASR.2015.9.1.16
  9. Kaphle A. Doping efficiency in cobalt-doped ZnO nanostructured materials / A. Kaphle, T. Reed, A. Apblett, P. Hari // Journal of Nanomaterials. – 2019. – V. 2019. – P. 7034620-1–7034620-13. https://doi.org/10.1155/2019/7034620
  10. Khantoul A. R. Structural and optical properties of ZnO and Co doped ZnO thin films prepared by sol-gel / A. R. Khantoul, M. Sebais, B. Rahal [et al.] // Acta Physica Polonica A. – 2018. – V. 133. – P. 114–117. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.133.114
  11. Gandhi V. Effect of cobalt doping on structural, optical, and magnetic properties of ZnO nanoparticles synthesized by coprecipitation method / V. Gandhi, R. Ganesan, H. H. A. Syedahamed, M. Thaiyan // Journal of Physical Chemistry C. – 2014. – V. 118 – P. 9715–9725. https://doi.org/10.1021/jp411848t
  12. Savchuk A. I. Structural and optical properties of Zn1–xCoxO thin films prepared by RF reactive sputtering technique / A. I. Savchuk, I. D. Stolyarchuk, I. Stefaniuk [et al.] // Semiconductor Physics, Quantum Electronics \& Optoelectronics. – 2014. – V. 17. – P. 353–357. https://doi.org/10.15407/spqeo17.04.353
  13. Ivill M. Structure and magnetism of cobalt-doped ZnO thin films / M. Ivill, S. J. Pearton, S. Rawal [et al.] // New Journal of Physics. – 2008. – V. 10. – P. 065002-1–065002-21. https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/6/065002
  14. Chanda A. Study of structural, optical and magnetic properties of cobalt doped ZnO nanorods / A. Chanda, S. Gupta, M. Vasundhara [et al.] // RSC Adv. – 2017. – V. 7. – P. 50527–50536. https://doi.org/10.1039/c7ra08458g
  15. Benramache S. Study on the correlation between crystallite size and optical gap energy of doped ZnO thin film / S. Benramache, A. Arif, O. Belahssen, A. Guettaf // Journal Of Nanostructure in Chemistry. – 2013. – V. 3. – P. 80-1–80-6. https://doi.org/10.1186/2193-8865-3-80
  16. Benramache S. Preparation of transparent, conductive ZnO:Co and ZnO:In thin films by ultrasonic spray method / S. Benramache, B. Benhaoua, H. Bentrah // Journal Of Nanostructure in Chemistry. – 2013. – V. 3. – P. 54-1–54-7. https://doi.org/10.1186/2193-8865-3-54
  17. Panasyuk M. R. Manufacturing technology, optical and spectral properties of nanostructurized thin ZnO films / M. R. Panasyuk, B. I. Turko, V. B. Kapustianyk [et al.] // Functional Mater. 2005. V. 12. P. 746–749. http://functmaterials.org.ua/contents/12-4/fm124-26.pdf
  18. Kapustianyk V. B. Effect of dopants and surface morphology on the absorption edge of ZnO films doped with In, Al, and Ga / V. B. Kapustianyk, B. I. Turko, V. P. Rudyk [et al.] // Journal of Applied Spectroscopy. – 2015. – V. 82. P. 153 156. https://doi.org/10.1007/s10812-015-0079-y