Исследование структурных и оптических свойств пленок ZnO, полученных методом магнетронного распыления при комнатной температуре

Саенко А.В., Билык Г.Е., Жейц В.В., Хубежов С.А., Вакулов З.Е., Смирнов В.А.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Саенко А.В., Билык Г.Е., Жейц В.В., Хубежов С.А., Вакулов З.Е., Смирнов В.А. Исследование структурных и оптических свойств пленок ZnO, полученных методом магнетронного распыления при комнатной температуре // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 1. С. 90–99. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-01-90-99

Saenko A.V., Bilyk G.E., Zheits V.V., Khubezhov S.A., Vakulov Z.E., Smirnov V.A. Study of the structural and optical properties of ZnO films deposited by magnetron sputtering at room temperature [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 1. P. 90–99. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-01-90-99

Ссылка на англоязычную версию:

Alexander V. Saenko, German E. Bilyk, Vitaly V. Zheits, Soslan A. Khubezhov, Zakhar E. Vakulov, and Vladimir A. Smirnov, "Structural and optical properties of ZnO films deposited by magnetron sputtering at room temperature," Journal of Optical Technology. 92(1), 54-59 (2025). https://doi.org/10.1364/JOT.92.000054

Аннотация:

Предмет исследования. Нанокристаллические пленки ZnO на стеклянных и гибких подложках для применения в солнечной энергетике, прозрачной и гибкой электронике. Цель работы. Определение оптимальной мощности высокочастотного магнетронного распыления для получения однородной кристаллической структуры с низкой шероховатостью поверхности при осаждении пленок ZnO. Метод. Осаждение пленок ZnO осуществлялось методом высокочастотного магнетронного распыления керамической мишени в бескислородной среде при комнатной температуре. Исследование пленок ZnO выполнялось методами растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, рентгеновской дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и спектрофотометрии. Основные результаты. Показано, что зависимость скорости осаждения пленок ZnO от мощности высокочастотного магнетронного распыления в бескислородной среде при комнатной температуре имеет линейный характер. Полученные пленки ZnO имеют нанокристаллическую структуру с доминирующим дифракционным пиком (002) для гексагональной структуры ZnO и преимущественным направлением роста кристаллитов перпендикулярно поверхности подложки. Показано, что возрастание мощности распыления от 25 до 100 Вт приводит к увеличению размера зерен от 12,8 до 35,7 нм и шероховатости поверхности пленок ZnO от 2,8 до 11,4 нм. Получено, что пленки ZnO имеют пропускание в видимой области спектра около 90% и оптическую ширину запрещенной зоны 3,27–3,28 эВ. Проведенные исследования рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии подтвердили химический состав пленок ZnO. Практическая значимость. Установлено, что оптимальная мощность магнетронного распыления в бескислородной среде при комнатной температуре составляет 75 Вт, при которой пленки ZnO имеют относительно гладкую поверхность и однородную нанокристаллическую структуру, что является перспективным для эффективного разделения фотогенерированных электронно-дырочных пар и переноса носителей заряда к электродам в структурах солнечных элементов, в том числе на гибкой подложке.

Ключевые слова:

пленки ZnO, магнетронное распыление, комнатная температура, мощность распыления, размер зерен, шероховатость поверхности, кристаллическая структура, оптическое пропускание

Коды OCIS: 310.0310, 160.0160, 180.0180

Список источников:

1. Subhash Chander, Surya Kant Tripathi. Recent advancement in efficient metal oxide-based flexible perovskite solar cells: A short review // Materials Adv. 2022. V. 3. P. 7198–7211. https://doi.org/10.1039/ D2MA00700B
2. Wisz G., Sawicka-Chudy P., Wal A., et al. TiO2:ZnO/CuO thin film solar cells prepared via reactive direct-current (DC) magnetron sputtering // Appl. Materials Today. 2022. V. 29. P. 101673. https://doi.org/10.1016/j. apmt.2022.101673
3. Достанко А.П., Агеев О.А., Голосов Д.А. и др. Электрические и оптические свойства пленок оксида цинка, нанесенных методом ионно-лучевого распыления оксидной мишени // Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48. № 9. C. 1274–1279.
Dostanko A.P., Ageev O.A., Golosov D.A., et al. Electrical and optical properties of zinc-oxide films deposited by the ion-beam sputtering of an oxide target // Semiconductors. 2014. V. 48. P. 1242–1247. https://doi.org/10.1134/S1063782614090073
4. Саенко А.В., Билык Г.Е., Малюков С.П. Моделирование оксидного солнечного элемента на основе гетероперехода ZnO/Cu2O // Прикладная физика. 2023. № 4. C. 66–77. https://doi.org/10.51368/1996-0948-2023-4-66-77
Saenko A.V., Bilyk G.E., Malyukov S.P. Modeling of an oxide solar cell based on a ZnO/Cu2O heterojunction // Appl. Phys. 2023. № 4. P. 66–77. https://doi.org/10.51368/1996-0948-2023-4-66-77
5. Kaim Paulina, Lukaszkowicz Krzysztof, Szindler Marek, et al. The influence of magnetron sputtering process temperature on ZnO thin-film properties // Coatings. 2021. V. 11. P. 1507. https://doi.org/10.3390/ coatings11121507
6. Kavindra Kandpal, Jitendra Singh, Navneet Gupta, et al. Effect of thickness on the properties of ZnO thin films prepared by reactive RF sputtering // J. Materials Sci.: Materials in Electronics. 2018. V. 29. P. 14501–14507. https://doi.org/10.1007/s10854-018-9584-0
7. Абдуев А.Х., Ахмедов А.К., Асваров А.Ш. и др. Прозрачные проводящие слои на основе ZnO, полученные магнетронным распылением композитной металлокерамической мишени ZnO:Ga-Zn: часть 2 // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2021. № 2. С. 27–33. https://doi.org/10.31857/ S1028096021010039
Abduev A.K., Akhmedov A.K., Asvarov A.S., et al. ZnO-based transparent conductive layers obtained by the magnetron sputtering of a composite cermet ZnO:Ga-Zn target: Part 2 // J. Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2021. V. 15. P. 121–127. https://doi.org/10.1134/ S1027451021010031
8. Shinho Cho. Effects of growth temperature on the properties of ZnO thin films grown by radio-frequency magnetron sputtering // Trans. on Electrical and Electronic Materials. 2009. V. 10. № 6. P. 185–188. https://doi.org/10.4313/TEEM.2009.10.6.185
9. Tominov R.V., Vakulov Z.E., Avilov V.I., et al. Synthesis and memristor effect of a forming-free ZnO nanocrystalline films // Nanomaterials. 2020. V. 10. P. 1007. https://doi.org/10.3390/nano10051007
10. Najeeb Al-Khalli, Mohamed F. Aly Aboud, Abdulaziz A. Bagabas, et al. Structural, optical, and electrical characteristics of thermal treated ZnO thin films deposited by RF sputtering on glass substrates // Materials Trans. 2021. V. 62. № 7. P. 915–920. https://doi.org/10.2320/matertrans.MT-M2020350
11. Spasova S., Dikov Hr., Ganchev M. Preparation and characterization of RF sputtered ZnO layers for application in thin films solar cells // J. Phys.: Conf. Ser. 2023. V. 2436. P. 012017. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2436/1/012017
12. Саенко А.В., Вакулов З.Е., Климин В.С. и др. Влияние мощности магнетронного распыления на осаждение пленок ITO при комнатной температуре // Микроэлектроника. 2023. Т. 52. № 4. С. 329–335. https://doi.org/10.31857/S0544126923700394
Saenko A.V., Vakulov Z.E., Klimin V.S., et al. Effect of magnetron sputtering power on ITO film deposition at room temperature // Russian Microelectronics. 2023. V. 52. № 4. P. 297–302. https://doi.org/10.1134/S1063739723700452
13. Агекян В.Ф., Борисов Е.В., Гудовских А.С. и др. Формирование кристаллических слоев Cu2O и ZnO методом магнетронного распыления и их оптическая характеризация // Физика и техника полупроводников. 2018. Т. 52. № 3. P. 402–408. https://doi.org/10.21883/FTP.2018.03.45629.8682
Agekyan V.F., Borisov E.V., Gudovskikh A.S., et al. Formation of Cu2O and ZnO crystal layers by magnetron assisted sputtering and their optical characterization // Semiconductors. 2018. V. 52. P. 383–389. https://doi.org/10.1134/S1063782618030028
14. Mohammed Rasheed, Regis Barille. Room temperature deposition of ZnO and Al:ZnO ultrathin films on glass and PET substrates by DC sputtering technique // Optical and Quantum Electronics. 2017. V. 49. P. 190. https://doi.org/10.1007/ s11082-017-1030-7
15. Li Gong, Yun-Zhen Liu, Fang-Yang Liu, et al. Roomtemperature deposition of flexible transparent conductive Ga-doped ZnO thin films by magnetron sputtering on polymer substrates // J. Materials Sci.: Materials in Electronics. 2017. V. 28. P. 6093–6098. https://doi.org/10.1007/ s10854-016-6286-3
16. Hajara P., Priya Rose T., Saji K.J. Effect of substrate temperature and RF power on the structural and optical properties of sputtered ZnO thin films // J. Phys.: Conf. Ser. 2022. V. 2357. P. 012018. https://doi.org/ 10.1088/1742-6596/2357/1/012018
17. Шомахов З.В., Налимова С.С., Бобков А.А. и др. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия