Eletrodos transparentes de filmes finos de AZO depositados por magnetron sputtering a temperatura ambiente

Abstract

Filmes finos de óxido de zinco e alumínio (AZO) foram sintetizados em substratos de vidro por magnetron sputtering com rádio frequência a partir de um alvo metálico de Zn-Al (5 %at.) em temperatura ambiente. As propriedades morfológicas, estruturais, elétricas e ópticas dos filmes foram estudadas em função da pressão de sputtering, que variou de 0,1 a 6,7 Pa. As análises por difração de raios X (DRX) revelaram que os filmes obtidos eram policristalinos, possuindo um formato hexagonal estrutura wurtzita com orientação preferencial no plano (002). Além disso, o tamanho do cristalito aumentou em função da pressão de sputtering. Devido ao re-sputtering dos átomos de Zn do filme em crescimento, a concentração de alumínio apresentou um valor máximo de 13 % at. Em pressões próximas a 0,16 Pa, obtivemos filmes com valores de resistividade elétrica e mobilidade de 2,8x10-3 Ωcm e 17 cm2/Vs, respectivamente. Finalmente, nossos resultados indicam que o diagrama de strutura de zona proposto por Thornton e posteriormente modificado por Kluth não prevê totalmente o comportamento estrutural/morfológico dos filmes AZO, uma vez que as interações de plasma também devem ser levadas em consideração. Filmes finos de AZO também foram cultivados por RF magnetron sputtering para diferentes tempos de deposição em plasmas de argônio com alvo cerâmico. Propriedades ópticas, estruturais e morfológicas, juntamente com a composição elementar, foram estudadas e correlacionadas com os efeitos observados nas propriedades elétricas e comparadas com dois modelos de espalhamento de mobilidade (impurezas ionizadas e contornos de grão). Os resultados sugerem que a densidade de portadores no caso estudado é limitada a menos de 15% devido à baixa eficiência de ionização causada pela formação de impurezas neutras como fases homólogas. Enquanto a propagação na mobilidade durante os estágios iniciais de crescimento do filme é fortemente influenciada pelos contornos de grão, em filmes mais espessos a limitação na eficiência iônica se torna mais significativa. Em estudo posterior, filmes finos de AZO (cerca de 200 nm de espessura) foram cultivados em tereftalato de polietileno (PET) à temperatura ambiente. O plasma foi ativado usando uma fonte de 13,56 MHz (RF) ou pulsada de 15 kHz (PMS) a uma potência de 60 W com distância alvo-substrato de 4 e 5 cm. A reflexão óptica e a transmitância foram medidas usando um espectrômetro UV-Vis-NIR ao longo dos comprimentos de onda de 190 nm a 2500 nm. Todas as amostras mostram transmitâncias médias superiores a 83% na região visível. A resistividade elétrica foi medida pelo método de 4-pontas linear, alcançando cerca de 0,001 Ωcm para filmes de AZO de 200 nm crescidos por PMS. Os resultados de DRX indicaram que os filmes apresentavam estrutura hexagonal tipo wurtzita com orientação preferencial no plano (002). A morfologia da superfície dos filmes finos de AZO foi caracterizada por Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM); a composição química do filme foi estudada usando Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X (EDS). Apenas para filmes crescidos por PMS não foram observadas rachaduras. A síntese à temperatura ambiente de uma bicamada SnO2/ZnO por magnetron sputtering foi investigada. Propriedades morfológicas, ópticas e elétricas da bicamada foram aferidas para diferentes espessuras de SnO2. A morfologia foi estudada usando perfilometria e microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo. As transmitâncias ópticas dos filmes de ZnO e da combinação SnO2/ZnO foram altas (cerca de 80%) no visível, e o filme de SnO2 não alterou as propriedades ópticas do ZnO, que atuaria como um eletrodo de contato transparente em uma célula solar de perovskita.

Thin films of zinc aluminum oxide (AZO) were synthesized on glass substrates by RF magnetron sputtering from a metallic Zn-Al target (5 at.%) at room temperature. The morphological, structural, electrical and optical properties of the films were studied as a function of the sputtering pressure, which was varied from 0.1 to 6.7 Pa. X-ray diffraction (XRD) analyses revealed that the obtained films were polycrystalline, having a hexagonal Wurtzite structure with preferential orientation in the (002) plane. Furthermore, the crystallite size increased as a function of sputtering pressure. Owing to re-sputtering of the Zn atoms from the growing film, the aluminum concentration displayed a maximum value of 13 at.%. At pressures close to 0.16 Pa, we obtained films with values of electrical resistivity and mobility of 2.8x10-3 Ωcm and 17 cm2/Vs, respectively. Finally, our results indicate that the structure zone diagram proposed by Thornton and later modified by Kluth does not fully predict the structural/morphological behavior of AZO films, since plasma interactions must also be taken into account. AZO thin films were also grown by RF magnetron sputtering for different deposition times in argon plasmas with a ceramic target. Optical, structural and morphological properties, together with elemental composition, were studied and correlated with the observed effects on electrical properties and compared with two mobility scattering models (ionized impurities and grain boundaries). The results suggest that the carrier density in the case studied is limited to less than 15% owing to the low ionization efficiency caused by the formation of neutral impurities as homologous phases. While the spread in the mobility during the initial stages of film growth is strongly influenced by grain boundaries, in thicker films the limitation on ion efficiency becomes more significant. To complete our investigation thin AZO films (about 200 nm thick) were grown in polyethylene terephthalate (PET) at room temperature. The plasma was activated using a 13.56 MHz (RF) or a 15 kHz pulsed (PMS) source at a power of 60 W and a target-substrate distance of 4 and 5 cm. Optical reflection and transmittance were measured using a UV-Vis-NIR spectrometer over the wavelengths from 190 nm to 2500 nm. All samples show average transmittances greater than 83% in the visible region. The electrical resistivity was measured by the linear four-point probe method to be around 0.001 Ωcm for 200 nm-thick AZO films grown by PMS. XRD results indicate that the films had a hexagonal wurtzite structure and were preferentially oriented in the (002) plane. The surface morphology of the AZO thin films was characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM); film chemical composition was studied using Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). Only for films grown by PMS no cracks were observed. The room temperature synthesis of an SnO2/ZnO bilayer by magnetron sputtering was investigated. Morphological, optical and electrical properties of the bilayer were investigated for different thicknesses of SnO2. Morphology was studied using profilometry and field emission scanning electron microscopy. The optical transmittances of the ZnO films and the SnO2/ZnO combination were high (about 80%) in the visible spectral region, and the SnO2 film did not alter the optical properties of ZnO, which would act as a transparent contact electrode in a perovskite solar cell.