The Crystalline Structure, Optical and Conductivity Properties of Fluorine Doped ZnO Nanoparticles

Abstract

У роботі вивчений вплив легування фтором на властивості тонких плівок ZnO. Нелеговані і леговані плівки осаджували методом спрей-піролізу на нагріті скляні підкладки при 380 °С з різними концентраціями фтору (0-15 ат. %). Рентгенівські дифрактограми показують полікристалічну природу плівок з переважною орієнтацією вздовж осі с. Ніякі інші кластери та домішкові фази не спостерігалися при легуванні фтором. Розмір кристалітів осаджених тонких плівок розраховувався за допомогою формули Дебая-Шеррера і знаходився в діапазоні від 13,7 до 37,3 нм. Оптичне пропускання тонких плівок ZnO, легованих фтором, зменшується до 79 % порівняно з нелегованою тонкою плівкою ZnO у видимій області. Встановлено, що ширина забороненої зони зменшується в діапазоні 3,38- 3,26 еВ при легуванні фтором і збільшується для більш високої концентрації фтору з 7-15 ат. %. Енергія Урбаха (розупорядкування) зменшується із 120 до 90 меВ, що дозволяє реалізувати кращу організацію плівки ZnO, тобто шари стають однорідними і добре кристалізуються. Чотириточкові методи вимірювання електропровідності показують, що усі зразки мають n-тип, а найкраще значення електропровідності 9,24·10 – 5 (Ω·см) – 1 отримано за концентрації фтору 5 ат. %. Збільшення електропровідності можна пояснити збільшенням концентрації носіїв у плівках. FZO може бути застосований в різних електронних і оптоелектронних додатках завдяки великій забороненій зоні, високій прозорості і гарній електропровідності.

This paper reports the effect of fluorine doping on ZnO thin films. Undoped and doped films were deposited by spray pyrolysis method on heated glass substrates at 380 °C with different concentrations of fluorine (0-15 at. %). X-ray diffraction patterns show the polycrystalline nature of the films with the preferred orientation along the c-axis. No other fluorine metal cluster and impurity phases have been observed with F doping. The crystalline size of the deposited thin films was calculated using Debye- Scherrer formula and found in the range between 13.7 and 37.3 nm. The optical transmittance of F doped ZnO thin films reduces up to 79 % as compared to undoped ZnO thin film in the visible region. The band gap was found to be decreasing in the range of 3.38-3.26 eV with F doping whereas it increases for higher doping of F concentration from 7-15 at. %. The Urbach energy (disorder) decreases from 120 to 90 meV that allows the atoms find a good site that is to say a better organization of the ZnO film, i.e. layers become homogeneous and well crystallized. The four-point techniques for measuring electrical conductivity show that all samples are n-type, and the best value of the electrical conductivity 9.24 10 – 5 (Ω·cm) – 1 was obtained for 5 at. % F. The increase of the electrical conductivity can be explained by the increase in carrier concentration of the films. FZO can be applied in different electronic and optoelectronic applications due to its high band gap, high transparency and good electrical conductivity.