Effect of Au Dopant on the Structural and Optical Properties of ZnO Thin Films Prepared by CVD

Abstract

Тонкі плівки оксиду цинку, леговані Au, синтезували методом CVD. Збільшення легуючої домішки від 0 до 15 мас. % Au в тонких плівках ZnO призводить до виражених змін морфології плівок. З оптичних властивостей витікає, що ширина забороненої зони чистої тонкої плівки ZnO становить 3.28 еВ, і при збільшенні легуючої домішки Au від 5 до 15 мас. % вона не змінюється. Рентгенівська дифракція показала, що пік максимальної інтенсивності відповідає переважній орієнтації (101) для плівок ZnO при 15 мас. % Au. Зображення SEM показують, що збільшення кристалів відбувається за рахунок збільшення концентрації легуючої домішки. Аналіз EDX показав, що нелегована плівка ZnO містить елементи Zn і O, а плівка, легована 15 мас. % Au, додатково до елементів Zn і O містить елементи Au і Cu. Усі дифракційні піки можна віднести до кристалічного ZnO з гексагональною структурою. Крім цих піків, з'явилися два нових піки (111) і (200), які обумовлені золотом. Вивчення морфології плівок ZnO вказує на наявність однорідних зерен, тоді як при додаванні атомів Au зерна не однорідні і мають різні розміри. Аналіз EDX для чистого ZnO демонструє два сильних піки, які відповідають Zn і O, що підтверджує високу чистоту тонких плівок ZnO. А в легованих тонких плівках (15 мас. % Au) спостерігається поява елемента Au з високою інтенсивністю, також два сильні піки, що відповідають елементам Cu і Zn, і наявність піків з низькою інтенсивністю за рахунок елементів Au, Cu і Zn.

Thin zinc oxide films doped with Au have been synthesized by CVD technique. Increase in the dopant from 0 to 15 wt. % Au in ZnO thin films led to pronounced changes in the film morphology. It follows from the optical properties that the band gap of pure ZnO thin film is 3.28 eV, and with increasing Au dopant from 5 to 15 wt. % it does not change. X-ray diffraction has shown that the peak of the maximum intensity corresponds to the preferred orientation (101) for ZnO films at 15 wt. % Au. SEM images show that crystal growth is due to an increase in the dopant concentration. EDX analysis showed that the undoped ZnO film contains Zn and O elements, and the film doped with 15 wt. % Au in addition to the Zn and O elements contains Au and Cu elements. All diffraction peaks can be attributed to crystalline ZnO with a hexagonal structure. In addition to these peaks, two new peaks (111) and (200) appear due to gold. Study of the morphology of ZnO films indicates the presence of homogeneous grains, while when Au atoms are added, the grains are not homogeneous and have different sizes. EDX analysis for pure ZnO shows two strong peaks corresponding to Zn and O, which confirm the high purity of ZnO thin films. And in doped thin films (15 wt. % Au), the appearance of high-intensity Au element, as well as the two strong peaks corresponding to the Cu and Zn elements, and the presence of low-intensity peaks due to the Au, Cu and Zn elements, are observed.