Effects of Copper Doping and Annealing Temperature on the Structural, Morphological and Optical Properties of NiO Thin Films

Abstract

Метою даної роботи є вивчення впливу легування міддю та температури відпалу на структурні, морфологічні та оптичні властивості тонких плівок оксиду нікелю (NiO). Тонкі плівки NiO, леговані Cu, були нанесені на скляні підкладки при температурі 350 °С методом спрей-піролізу. Гексагідрат хлориду нікелю NiCl2·6H2O, деіонізована вода та мідь використовувались відповідно як прекурсор, розчинник та домішка після відпалу плівок при температурах 400, 450, 500 та 550 °C. Рентгенівські дифрактограми (GIXRD) показали, що плівки NiO:Cu є полікристалічними з ГЦК структурою та переважним напрямком орієнтації вздовж [200], що відповідає значенню 2θ приблизно 43°. Візуалізація атомно-силової мікроскопії (AFM) виявила, що на поверхневу морфологію впливає додавання Cu, а середня шорсткість збільшується від 5,17 нм до 99,03 нм, коли швидкість легування змінюється від 2 % до 6 %. Оптичний коефіцієнт пропускання зменшується з 85 % до 65 % при збільшенні концентрації легування міддю плівок NiO, відпалених при 550 °C, а оптична ширина забороненої зони зміщується у синій діапазон з 3,63 еВ до 3,82 еВ.

The aim of this work is to study the influence of copper doping and annealing temperature treatment on structural, morphological and optical properties of nickel oxide (NiO) thin films. Cu doped NiO thin films were deposited on glass substrates at 350 °C by spray pyrolysis technique. Nickel chloride hexahydrate NiCl2·6H2O, deionized water and copper were used as precursor, solvent and dopant source respectively after annealing at different temperatures of 400, 450, 500 and 550 °C. The grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) patterns revealed that NiO:Cu films are polycrystalline with face centered cubic structure and preferred orientation direction along [200] corresponding to 2θ value of approximately 43°. Atomic force microscopy (AFM) visualization revealed that surface morphology was found to be influenced by incorporation of Cu and average roughness increases from 5.17 nm to 99.03 nm when the doping rate varied from 2 % to 6 %. The optical transmittance decreases from 85 % to 65 % with the increase in Cu doping concentrations of NiO films annealed at 550 °C and the optical band gap was blue-shifted from 3.63 eV to 3.82 eV.