Sol-gel법에 의한 Al과 F가 첨가된 ZnO 투명전도막의 전기 및 광학적 특성 Electrical and optical properties of Al and F doped ZnO transparent conducting film by sol-gel method원문보기
Al이 첨가된 ZnO(ZnO : Al) 박막과 F이 첨가된 ZnO(ZnO : F) 박막을 sol-gel 법을 이용하여 glass 기판위에 코팅하였다. 공통적으로 (002)면의 c-축 배향성을 보였지만 I(002)/[I(002) + I(101)]와 FWHM(full width at half-maximum) 값은 차이를 보였다. 특히 입자크기에 있어서는 ZnO : Al 박막에서 첨가농도가 증가함에 따라 입자크기가 감소한 반면 ZnO : F 박막에서는 F 3 at%까지 입자크기가 증가하다가 그 이후로 다시 감소하는 경향을 보였다. 진기적 성질의 측정을 위해서 Hall effect measurement를 이용하였는데 ZnO : Al 박막의 경우 Al 1 at%에서 비저항이 $2.9{\times}10^{-2}{\Omega}cm$ 이었고 ZnO : F에서는 F 3 at%에서 $3.3{\times}10^{-1}{\Omega}cm$의 값을 보였다. 또한 ZnO : F 박막은 ZnO : Al 박막에 비해서 캐리어 농도는 낮았지만(ZnO : Al $4.8{\times}10^{18}cm^{-3}$, ZnO : F $3.9{\times}10^{16}cm^{-3}$) 이동도에 있어서 상당히 큰 값(ZnO : Al $45cm^2/Vs$ ZnO:F $495cm^2/Vs$)을 보였다. 가시광선 영역에서의 평균 광투과도에 있어서는 ZnO : Al 박막에서 $86{\sim}90%$의 값을 보였지만 ZnO : F에서는 $77{\sim}85%$로 상대적으로 낮은 광투과도를 나타내었다.
Al이 첨가된 ZnO(ZnO : Al) 박막과 F이 첨가된 ZnO(ZnO : F) 박막을 sol-gel 법을 이용하여 glass 기판위에 코팅하였다. 공통적으로 (002)면의 c-축 배향성을 보였지만 I(002)/[I(002) + I(101)]와 FWHM(full width at half-maximum) 값은 차이를 보였다. 특히 입자크기에 있어서는 ZnO : Al 박막에서 첨가농도가 증가함에 따라 입자크기가 감소한 반면 ZnO : F 박막에서는 F 3 at%까지 입자크기가 증가하다가 그 이후로 다시 감소하는 경향을 보였다. 진기적 성질의 측정을 위해서 Hall effect measurement를 이용하였는데 ZnO : Al 박막의 경우 Al 1 at%에서 비저항이 $2.9{\times}10^{-2}{\Omega}cm$ 이었고 ZnO : F에서는 F 3 at%에서 $3.3{\times}10^{-1}{\Omega}cm$의 값을 보였다. 또한 ZnO : F 박막은 ZnO : Al 박막에 비해서 캐리어 농도는 낮았지만(ZnO : Al $4.8{\times}10^{18}cm^{-3}$, ZnO : F $3.9{\times}10^{16}cm^{-3}$) 이동도에 있어서 상당히 큰 값(ZnO : Al $45cm^2/Vs$ ZnO:F $495cm^2/Vs$)을 보였다. 가시광선 영역에서의 평균 광투과도에 있어서는 ZnO : Al 박막에서 $86{\sim}90%$의 값을 보였지만 ZnO : F에서는 $77{\sim}85%$로 상대적으로 낮은 광투과도를 나타내었다.
Al-doped and F-doped ZnO (ZnO : Al & ZnO : F) thin films were coated onto glass substrate by sol-gel method. These films showed c-axis orientation in common, but different I(002)/[I(002) + I(101)] and FWHM (full width at half-maximum). In particular, the grain size of the ZnO : Al films decreased wi...
Al-doped and F-doped ZnO (ZnO : Al & ZnO : F) thin films were coated onto glass substrate by sol-gel method. These films showed c-axis orientation in common, but different I(002)/[I(002) + I(101)] and FWHM (full width at half-maximum). In particular, the grain size of the ZnO : Al films decreased with the increase in the Al-doping concentration, while for the ZnO : F films the grain siae increased up to F 3 at% and then decreased. For the electrical properties, Hall effect measurement was used. The resistivity of the ZnO : Al films and the ZnO : F films were, respectively, $2.9{\times}10^{-2}{\Omega}cm$ at Al 1 at% and $3.3{\times}10^{-1}{\Omega}cm$ at F 3 at%. Moreover compared with ZnO:Al films, ZnO:F films have lower carrier concentration (ZnO : Al $4.8{\times}10^{18}cm^{-3}$, ZnO : F $3.9{\times}10^{16}cm^{-3}$) and higher mobility (ZnO : Al $45cm^2/Vs$, ZnO : F $495cm^2/Vs$). For average optical transmittances, ZnO : Al thin films have $86{\sim}90%$ and ZnO : F films have $77{\sim}85%$ comparatively low.
Al-doped and F-doped ZnO (ZnO : Al & ZnO : F) thin films were coated onto glass substrate by sol-gel method. These films showed c-axis orientation in common, but different I(002)/[I(002) + I(101)] and FWHM (full width at half-maximum). In particular, the grain size of the ZnO : Al films decreased with the increase in the Al-doping concentration, while for the ZnO : F films the grain siae increased up to F 3 at% and then decreased. For the electrical properties, Hall effect measurement was used. The resistivity of the ZnO : Al films and the ZnO : F films were, respectively, $2.9{\times}10^{-2}{\Omega}cm$ at Al 1 at% and $3.3{\times}10^{-1}{\Omega}cm$ at F 3 at%. Moreover compared with ZnO:Al films, ZnO:F films have lower carrier concentration (ZnO : Al $4.8{\times}10^{18}cm^{-3}$, ZnO : F $3.9{\times}10^{16}cm^{-3}$) and higher mobility (ZnO : Al $45cm^2/Vs$, ZnO : F $495cm^2/Vs$). For average optical transmittances, ZnO : Al thin films have $86{\sim}90%$ and ZnO : F films have $77{\sim}85%$ comparatively low.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이 연구에서는, A1과 F를 extrinsic 결함으로 하는 ZnO 박막을 sol-gel 법으로 제조하여 박막의 미세 구조와 전기적 광학적 특성을 평가하였다.
제안 방법
ZnO:Al과 ZnO:F 투명 전도 sol-gel법을 이용하여 이ass기판 위에 코팅하였고 각각의 미세 구조와 전기 및 광학적 특성을 측정하였다. 두 경우 모두(002)면의 c- 축배 향성을 보이고 있지만, ZnO : A1 박막에서 첨가 농도가 증가함에 따라 입자 크기가 감소한 반면 ZnO : F 박막에서는 F 3 at%까지 입자 크기가 증가하다가 그 이후로 다시 감소하는 경향을 보였다.
스핀코터로 코팅된 막은 300℃에서 10분간 건조 과정을 거쳤으며 sol 의 적 하부터 건조까지의 공정은 6회 반복되었다. 그 후 600℃에서 30분 동안 열처리하여 A1과 F가 첨가된 ZnO 박막을 제조하였다.
Sol의 농도는 Q75 M이며 zinc acetate dihydrate를 2-methoxyethanol을 용매로 하여 60℃에서 2시간 교반하여 제조하였다. 이때 zinc acetate dihydrate를 다량으로 녹일 수 있도록 하기 위해서 안정화제로 monoethanolamine(H2NCH2CH2OH; MEA)를 금속이온 농도의 1배(Rmea = 1)하여 첨가하였다 또한 제조된 순수한 ZnO sol에 dopant로서 aluminum chloride, ammonium fluoride를 첨가하여 대기 중에서 안정한 sol을 제조하였다. 제조된 sole 수개월 동안 침전이 관찰되지 않았다.
대상 데이터
2H2O> 사용하였다. 그리고 dopant로 사용될 Al, F의 吉급원으로는 aluminum chloride( A1C13), ammonium fluoride(NH4F) 를 사용하였다. zinc acetate dihydrate의 경우 알콜에 대한 용해도가 매우 낮은 단점이 있지만, 다른 염과 달리 코팅성이 우수하고 잔존하는 유기물을 열처리 과정에서 증발시킬 수 있으므로 불순물의 우려가 적다.
07% 이하로 작아 alkali 성분의 용출성이 작은 코닝 1737을 사용하였다. 기판을 2.5cmX2.5cm의 정사각형으로 절단한 다음 아세톤, 증류수, 에탄올 순으로 각각 5분간 초음파 세척을 하여 표면에 묻은 유기물과 이물질을 제거하여 사용하였다. Sol을 기판에 적하시켜 자체 제작한 스핀코터로 3000rpm으로 30초간 회전시켜 코팅을 하였다.
박막을 코팅할 기판으로는 glass 기판을 사용하였는데 내열성이 우수하고, alkali 성분이 통상 0.07% 이하로 작아 alkali 성분의 용출성이 작은 코닝 1737을 사용하였다. 기판을 2.
박막의 결정구조는 X-ray dififractometer(XRD)를 이용하여 측정하였으며 타겟은 Cu이었고 출력은 30 kV 30 mA 이었다. 박막의 미세 구조는 scanning electron microscope(SEM)을 사용하여 관찰하였다.
본 실험에서는 출발 물질로 ZnO의 공급원으로써 상온에서의 안전성 및 비용을 고려하여 zinc alkoxide 대신염의 일종인 zinc acetate dihydrate(Zn(CH3COO)2 .2H2O> 사용하였다. 그리고 dopant로 사용될 Al, F의 吉급원으로는 aluminum chloride( A1C13), ammonium fluoride(NH4F) 를 사용하였다.
zinc acetate dihydrate의 경우 알콜에 대한 용해도가 매우 낮은 단점이 있지만, 다른 염과 달리 코팅성이 우수하고 잔존하는 유기물을 열처리 과정에서 증발시킬 수 있으므로 불순물의 우려가 적다. 용매로는 기판과의 젖음성을 고려하고 건조 과정에서 끓는 점이 높아 증발이 천천히 일어나서 코팅성을 증가시킬 수 있는 2-methoxyethan이을 사용하였다. Sol의 농도는 Q75 M이며 zinc acetate dihydrate를 2-methoxyethanol을 용매로 하여 60℃에서 2시간 교반하여 제조하였다.
이론/모형
박막의 결정구조는 X-ray dififractometer(XRD)를 이용하여 측정하였으며 타겟은 Cu이었고 출력은 30 kV 30 mA 이었다. 박막의 미세 구조는 scanning electron microscope(SEM)을 사용하여 관찰하였다. 박막의 전기적 특성은 1 T의 자장에서 Van der Pauw법을 이용한 Hall effect measurement system을 이용하여 측정하였고, UV-VIS-NIR spectrophotometer 을 사용하여 200~2000 nm 파장 영역에 걸쳐 투과율을 측정하였다.
박막의 미세 구조는 scanning electron microscope(SEM)을 사용하여 관찰하였다. 박막의 전기적 특성은 1 T의 자장에서 Van der Pauw법을 이용한 Hall effect measurement system을 이용하여 측정하였고, UV-VIS-NIR spectrophotometer 을 사용하여 200~2000 nm 파장 영역에 걸쳐 투과율을 측정하였다.
성능/효과
3X10-1 Gem의 값을 보였다. 또한 ZnO:F 박막은 ZnO : A1 박막에 비해서 캐리어 농도는 2 order 정도 낮았지만 이동도에 있어서 상당히 큰 값(ZnO : A1 45 cmWs, ZnO : F 495 cnF/Vs)을 보였다.
100℃ 부근에서 gel 분말 내에 포함되어 있는 수분과 2-methoxyethanol(끓는 점 : 124℃)의 휘발로 생각되는 무게 감소가 나타났으며, 대략 300~400℃에서 Zn과 결합되어 있는 에톡 시기 및 monoethanolamine(끓는점: 170℃)과 같은 잔류 유기물의 연소에 의한 발열 피크가 무게 감소와 함께 나타났다. 또한 약 400℃ 이상에서는 더 이상의 질량 감소를 보이지 않는 것으로 보아 그 이상의 온도에서는 모든 유기물이 제거되었음을 알 수 있었다.
박막의 캐리어 농도는 A1 2 at%에서 1 at%徂다 큰 값을 보였지만 3 at%로 증가하면서 오히려 lat%에서의 캐리어 농도보다 더 감소하였다. 캐리어, 즉 전도전자를 생성시키는 A1과 乙의 치환 과정은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
ZnO : A1 박막의 경우 A1 농도 증가에 따라 a값은 감소하는 경향을 보이는 반면, F이 첨가된 ZnO(이하 ZnO : F) 박막은 3 at%까지는 F 농도가 증가함에 따라 a값이 증가하였으나 그 이후는 감소하였다. 입자 크기에 있어서도 a값에서 와 같이 F 3 at%에서 최대값을 가졌으며 ZnO : F 박막의 입자가 전반적으로 ZnO : A1 박막의 입자보다 더 큰 것을 알 수 있었다. Sanchez-Juarez[l 0] 등은 spray pyrolysis법에 의한 ZnO : F 박막을 분석하여 XRD 회절 패턴과 FWHM 계산값을 얻었고 F/Zn의 비가 0.
후속연구
이동도는 lat%에서 2 at%로 증가하면서 급격히 증가하여 3 at%에서 495 cm2/Vs 의 값을 가졌다. 첨가물질을 달리하는 ZnO의 다른 경우와 비교하였을 때[11-13] 이러한 높은 이동도는 상당히 특이한 결과로서 앞으로 좀 더 연구되어야 할 것이라고 생각된다. ZnO:F의 캐리어 농도는 F 1~2 at% 에서 큰 차이를 보이지 않다가 3 at%에서 3.
참고문헌 (13)
E.S. Shim, H.S. Kang, J.S. Kang, J.H. Kim and S.Y. Lee, 'Effect of the variation of film thickness on the structural and optical properties of ZnO thin films deposited on sapphire substrate using PLD', Appl. Surf. Sci. 186 (2002) 474
P. Nunes, D. Costa, E. Fortunato and R. Martins, 'Performances presented by zinc oxide thin films deposited by r.f. magnetron sputtering', Vacuum 64 (2002) 293
Y. Kashiwaba, F. Katahira, K. Haga, T. Sekiguchi and H. Watanabe, 'Hetero-epitaxial growth of ZnO thin films by atmospheric pressure CVD method', J. Cryst. Growth 221 (2000) 431
F. Paraguay D., W. Estrada L., D.R. Acosta N., E. Andrade and M. Miki-Yoshida, 'Growth, structure and optical characterization of high quality ZnO thin films obtained by spray pyrolysis', Thin Solid Films 350 (1999) 192
J.H. Lee, K.H. Ko and B.O. Park, 'Electrical and optical properties of ZnO transparent conducting films by the sol-gel method', J. Cryst. Growth 247 (2003) 119
F. Chaabouni, M. Abaab and B. Rezig, 'Effect of the substrate temperature on the properties of ZnO films grown by RF magnetron sputtering', Mater. Sci. Eng. B 109 (2004) 236
H. Kim, A. Pique, J.S. Horwitz, H. Murata, Z.H. Kafafi and C.M. Gilmore, 'Effect of aluminum doping on zinc oxide thin films grown by pulsed laser deposition for organic light-emitting devices', Thin Solid Films 377 (2000) 798
J. Hu and R.G. Gordon, 'Textured aluminum-doped zinc oxide thin films from atmospheric pressure chemicalvapor deposition', J. Appl. Phys. 71 (1992) 880
A. Sanchez-Juarez, A. Tiburcio-Silver and A. Ortiz, 'Properties of fluorine-doped ZnO deposited onto glass by spray pyrolysis', Sol. Energy Mater. Solar Cells 52 (1998) 301
S. Shirakataa, T. Sakemib, K. Awaic and T. Yamamotoc, 'Electrical and optical properties of large area Gadoped ZnO thin films prepared by reactive plasma deposition', Superlattices Microstruct, Available online 19 September 2005
X. Chen, W. Guan, G. Fang and X.Z. Zhao, 'Influence of substrate temperature and post-treatment on the properties of ZnO : Al thin films prepared by pulsed laser deposition', Appl. Surf. Sci. 252 (2005) 1561
G.K. Paul, S. Bandyopadhyay. S.K. Sen and S. Sen, 'Structural, optical and electrical studies on sol-gel deposited Zr doped ZnO films', Mater. Chem. Phys. 79 (2003) 71
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.