Статья поступила в редакцию 30.09.15. Ред. рег. № 2368
The article has entered in publishing office 30.09.15. Ed. reg. No. 2368
УДК 538.975; 535.215.4
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ CdO И CdO-ЛЦУ
А.В. Кокшина, В.Д. Кочакое
Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова РФ 428023, Чувашская Республика, Чебоксары, Московский пр., 15 тел.: +7(8352) 58-30-36; e-mail: annika21@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.015
Заключение совета рецензентов: 09.10.15 Заключение совета экспертов: 16.10.15 Принято к публикации: 23.10.15
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния пленок линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) на свойства тонкопленочной системы CdO. Для изучения структурных и поверхностных свойств образцов применялись методы спектроскопии комбинационного рассеяния света, дифрактометрии и сканирующей зондовой микроскопии. Электрооптические свойства исследовались методами спектрофотометрии и вольтамперометрии. Было выявлено, что внедрение в систему CdO линейно-цепочечного углерода качественно улучшает ее свойства, уменьшая ширину запрещенной зоны и увеличивая фоточувствительность.
Ключевые слова: тонкие пленки, оксид кадмия, линейно-цепочечный углерод, термическое окисление, тонкопленочные фо-топроводящие системы.
THE STUDY OF PROPERTIES OF CdO AND CdO-LCC THIN FILM SYSTEMS
A.V. Kokshina, V.D. Kochakov
Chuvash State University named after I.N. Ulyanov 15 Moskovsky ave., Chuvash Republic, Cheboksary, 428023 Russian Federation e-mail: annika21@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.015
Referred 9 October 2015 Received in revised form 16 October 2015 Accepted 23 October 2015
The article reports the results of experimental studies of the influence of films linear-chain carbon (LCC) on the properties of the thin film of CdO. For the study of structural and surface properties of samples were used methods of Raman spectroscopy, diffraction, and scanning probe microscopy. Electro-optical properties were studied by spectrophotometry and voltammetry. During the research it was found that the introduction of linear-chain carbon in the system CdO improves the properties of the system, reducing the band gap and increasing the photosensitivity.
Keywords: thin films, cadmium oxide, linear-chain carbon, thermal oxidation, photoconductive thin film system.
Кокшина Анна Владимировна Anna V. Kokshina
Сведения об авторе: аспирант, ассистент кафедры прикладной физики и нанотехнологий Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова.
Образование: ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»
Область научных интересов: халькогени-ды, тонкие пленки, металлоуглеродные пленки, линейно-цепочечный углерод, солнечная энергетика, оптические и электрофизические свойства тонких пленок.
Публикации: 26.
Information about the author:
postgraduate of Department of Applied Physics and Nanotechnology of the Chuvash State University named after I.N. Ulyanov.
Education: Chuvash State University named after I.N. Ulyanov.
Research area: chalcogenides, thin films, metal-carbon film, linear-chain carbon, solar, optical and electrical properties of thin films. Publications: 26.
Сведения об авторе: канд. техн. наук, профессор кафедры прикладной физики и нанотехно-логий ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова», член-корреспондент Академии электротехнических наук ЧР.
Образование: ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова».
Область научных интересов: нанотехноло-гии, металлоуглеродные пленочные системы на основе углерода в состоянии Бр1, фотовольтаика.
Публикации: более 90.
Information about the author:
PhD (engineering), professor of Department of Applied Physics and Na-notechnology, a member of the Academy of Electrical Sciences of (the Chuvash Republic).
Education: Chuvash State University named after I.N. Ulyanov.
Research area: nanotechnology, metal-carbon film systems based on carbon in a state of Sp1, photovoltaics.
Publications: more than 90.
Кочаков Валерий Данилович Valéry D. Kochakov
Введение
Одной из главных особенностей современных наукоемких технологий является стремление создавать и использовать новые материалы, обладающие, помимо уникальных сочетаний механических, физических и других свойств, способностями активно реагировать на изменение внешних условий или внешнее воздействие. В этой связи формирование наноструктурных соединений, обладающих свойством фоточувствительности, является важным направлением.
Пленки линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) представляют собой двумерную упорядоченную структуру, состоящую из цепочек углеродных атомов, объединенных Бр1-гибридизацией. Линейно-цепочечный углерод синтезируется ионно-плазменным методом в виде пленки, модель которой представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структура пленки линейно-цепочечного углерода Fig. 1. The structure of the linear-chain carbon film
Цепочки углерода ориентированы перпендикулярно поверхности подложки и организованы в гек-
сагональную плотноупакованную решетку. Пленки ЛЦУ обладают одномерной проводимостью вдоль цепочек углерода и, по данным исследований авторов этой статьи, улучшают электрооптические характеристики многих сплавов и элементов. В настоящий момент вопрос о взаимодействии углерода в состоянии 8р1 (ЛЦУ) с различными некарбидооб-разующими (т.е. не образующими химического соединения с углеродом) металлами и их оксидами является малоизученным. Тонкие пленки СсЮ получают различными методами, такими как: золь-гель метод [1, 2], метод магнетронного распыления [3, 4], радиочастотного распыления, термического окисления [5, 6], импульсного лазерного осаждения [7], химического осаждения из паровой фазы [8, 9] и электрохимического окисления [10, 11].
Методика эксперимента
В ходе исследования был отработан метод получения тонких пленок окиси кадмия и тонкопленочной системы окись кадмия - линейно-цепочечный углерод, обладающих достаточной прозрачностью и фоточувствительными свойствами. Пленки окиси кадмия получали методом термического окисления, не требующим создания особых условий и много времени для получения окисной пленки. Для подбора оптимальных условий синтеза тонких пленок С(0 на подложку из кремния или стекла термическим испарением в вакууме наносились пленки С(! Затем эти пленки отжигались в атмосфере воздуха в вакуумной печи МИМП-ВМ при различных температурах (от 250 до 400 градусов по Цельсию) и продолжительности (20-40 мин.). Тонкопленочную систему С(0-ЛЦУ получали нанесением на пленку С(Ю ион-но-плазменным способом пленки линейно-цепочечного углерода толщиной 100 нм, после чего производился отжиг полученной системы.
Для исследования структурных и поверхностных свойств тонких пленок С(0 применялись методы спектроскопии комбинационного рассеяния света
м, лоч.
- G -'м1
с о
-О
N
(был применен спектрометр комбинационного рассеяния света Horiba Jobin Yvon T64000 с приставкой микро-КР; длина волны возбуждения 514 нм; исследование спектров проводилось в диапазоне 100-1 750 см-1, в области, где находятся КР-линии кадмия и оксида кадмия), дифрактометрии и сканирующей зондовой микроскопии (в режиме атом-но-силовой микроскопии).
Оптические свойства исследовались методами спектрофотометрии и спектроэллипсометрии (сняты
спектры пропускания, поглощения и отражения). Электрофизические свойства были исследованы методом вольтамперометрии.
Результаты и их обсуждение
На рис. 2 показаны спектры комбинационного рассеяния образцов СсЮ, отожженных при температуре 350 0С в течение 20 и 40 минут.
Рис. 2. Спектры комбинационного рассеяния образцов CdO (отжиг при температуре 350 0С): obr1 - в течение 20 мин, obr2 - в течение 40 минут Fig. 2. Raman spectra of samples CdO (annealing at a temperature of 350 0C): obr1 - for 20 min, obr2 - for 40 minutes
На рис. 3 и 4 изображены дифрактограмма и топология поверхности исследуемой пленки, отожженной при температуре 350 0С в течение 40 минут.
■100
■90
80
■70
■60
■50
■40
■30
20
10 0
40 50
2-Theta(°)
Рис. 3. Дифрактограмма пленки CdO (отжиг при температуре 350 °С в течении 40 минут) Fig. 3. The diffraction pattern of CdO film (annealed at a temperature of 350 0C for 40 minutes)
0
Рис. 4. Топология поверхности пленки CdO (отжиг при температуре 350 0С в течении 40 минут) Fig. 4. The topology of the surface of the CdO film (annealing at temperature of 350 0C for 40 minutes)
Результаты дифрактометрии и спектроскопии комбинационного рассеяния света показывают, что полученная пленка действительно является окисью кадмия [12]. После отжига пленки кадмия структура поверхности меняется, кластеры увеличиваются в размере, диаметр кластеров составляет 200-300 нм. Пленка CdO приобретает поликристаллическую структуру. Толщина пленки составляет 200 нм. Проведенные эксперименты свидетельствуют о состоятельности применения метода синтеза данных пленок путем термического окисления.
Оптические исследования показали, что полученные пленки CdO и CdO-ЛЦУ являются достаточно прозрачными в видимой области спектра, что говорит о перспективности применения их в качестве прозрачных проводящих покрытий. На рис. 5 приведены спектры пропускания исследуемых пленок. Добавление в систему CdO линейно-цепочечного углерода незначительно уменьшает ее прозрачность.
Рис. 5. Спектр пропускания пленки CdO Fig. 5. The transmission spectrum of the film CdO
Оптическая ширина запрещенной зоны пленки CdO выгаислялась по методу, описанному в [13], и составила 2,5 эВ (рис. 6), что согласуется с исследованиями российских и зарубежных коллег, занимающихся изучением данного соединения.
Рис. 6. Определение ширины запрещенной зоны пленки CdO Fig. 6. The determination of the band gap of CdO films
Оптическая ширина запрещенной зоны системы CdO-ЛЦУ составила 2,3 эВ (рис. 7.). Как видно на рис. 6 и 7, внедрение в пленку окиси кадмия линейно-цепочечного углерода уменьшает ширину запрещенной зоны.
Рис. 7. Определение ширины запрещенной зоны пленки CdO-ЛЦУ Fig. 7. The determination of the band gap of CdO-LCC films
Пол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.