Керування структурно-фазовим станом наночастинок і плівок нових оксидних матеріалів, нанесених хімічними методами, для потреб гнучкої електроніки і геліоенергетики

Abstract

Створено наночорнила з контрольованими властивостями на основі суспензій наночастинок СuОx, Zn2SnO4, ZnO:Cu, ZnO:Al(In) в розчинниках з низькими температурами випаровування. Встановлені властивості наночорнил в залежності від умов синтезу частинок та складу використаних розчинників. Досліджено морфологічні, структурні, субструктурні, оптичні характеристики та хімічний склад плівок СuОx, Zn2SnO4, ZnO:Cu, ZnO:Al(In), що дало можливість визначити оптимальні умови нанесення однофазних зразків. Згідно з результатами ренгенодифрактометричних дослідженнь, нанесені плівки були однофазними і мали наступні типи граток: ZnO:Cu – гексагональну та Zn2SnO4 – кубічну гратку. Хімічний склад отриманих зразків виявився близьким до стехіометричного. Встановлено, що розмір областей когерентного розсіювання плівок Zn2SnO4 зростає при збільшенні температури відпалу від 4 нм (250 ℃) до 8 нм (500 ℃), в той час як рівень мікродеформацій зменшується від 15∙10-3 до 8∙10-3. Виявлено, що в плівках Zn2SnO4 підвищення температури відпалу приводить до зміни ширини забороненої зони Eg плівок від 4,03 до 3,65 еВ, що пов’язується з ефектом Бурштена-Мосса. Встановлено, що для легованого оксиду цинку до концентрації Al (In) 3 мас.% (2 мас.%) НЧ і плівки ZnO:Al(In) мають однофазну структуру та містять тільки гексагональний оксид цинку; з подальшим збільшенням вмісту Al (In) в прекурсорі в них з'являється фаза Al2O3 (In2O3). Одночасно легування ZnO домішками приводить до збільшення Eg оксиду до (3,24–3,27) еВ при легуванні Al та (3,24–3,39) еВ – In. Встановлено, що за температури відпалу Та вище 400 °С в плівках оксиду міді спостерігається фазовий перехід від теноритової фази до купритної. У той самий час зміна субструктурних характеристик плівок спостерігається вже за Та = 350 °С. Виявлено, що енергії непрямих дозволених і прямих заборонених міжзонних переходів фази CuO залежать від температури відпалу і відповідають значенням (1,59–1,66) еВ і (1,77–1,91) еВ відповідно. У разі фази Cu2O енергії прямого забороненого та прямого дозволеного переходів відповідають 2,17 еВ та 2,41 еВ. На основі проведений досліджень встановлено оптимальні умови термічного відпалу для ефективного керування складом плівок CuxO.

Nano-inks with controlled properties were created based on suspensions of CuОx, Zn2SnO4, ZnO:Cu, ZnO:Al(In) nanoparticles in solvents with low evaporation temperatures. The established properties of nanoinks depend on particle synthesis conditions and the solvents' composition. Morphological, structural, substructural, optical characteristics and chemical composition of films СuОx, Zn2SnO4, ZnO:Cu, ZnO:Al(In) were studied, which made it possible to determine the optimal conditions for the application of single-phase samples. According to the results of X-ray diffractometric studies, the applied films were single-phase and had the following lattice types: ZnO:Cu – hexagonal and Zn2SnO4 – cubic lattice. The chemical composition of the obtained samples was close to stoichiometric. It was found that the size of coherent scattering domains of Zn2SnO4 films increases with increasing annealing temperature from 4 nm (250℃) to 8 nm (500℃), while the level of microstrains decreases from 15∙10-3 to 8∙10-3. In Zn2SnO4 films, an increase in the annealing temperature leads to a change in the band gap Eg of the films from 4.03 to 3.65 eV, which is associated with the Bursten-Moss effect. It was established that for doped zinc oxide up to a concentration of Al (In) 3 wt.% (2 wt.%) NPs and ZnO:Al(In) films have a single-phase structure and contain only hexagonal zinc oxide; with a further increase in the content of Al (In) in the precursor, the Al2O3 (In2O3) phase appears in them. At the same time, doping ZnO with impurities leads to an increase in the Eg of the oxide to (3.24–3.27) eV when doped with Al and (3.24–3.39) eV – In. It was established that at annealing temperatures T and above 400°C, a phase transition from the tenorite phase to the cuprite phase is observed in copper oxide films. At the same time, a change in the substructural characteristics of the films is observed already at Ta = 350°C. It was found that the energies of indirect allowed and direct forbidden interband transitions of the CuO phase depend on the annealing temperature and correspond to the values of (1.59–1.66) eV and (1.77–1.91) eV, respectively. In the case of the Cu2O phase, the energies of direct forbidden and direct allowed transitions correspond to 2.17 eV and 2.41 eV. Based on the conducted research, optimal thermal annealing conditions were established for effective control of the composition of CuxO films.