Fabrication and Characterization of Nanostructured NiO and NiO:Cu Thin Films at Varied Copper Concentrations

Abstract

Оксид нікелю (NiO) – напівпровідник із гранецентрованою кубічною (ГЦК) кристалічною структурою. Завдяки широкій забороненій зоні, високій прозорості та морфології пористої поверхні NiO демонструє високу продуктивність у різних електронних та оптоелектронних пристроях. З цієї причини нещодавно увагу дослідників привернули леговані металом тонкі плівки NiO. У даній роботі NiO та леговані міддю (Cu-леговані) тонкі плівки NiO були нанесені на скляні підкладки при температурі 420 °C за допомогою простої та економічно ефективної техніки розпилювального піролізу. Кількість легуючої міді змінювалася при різних концентраціях (0,5 %, 1,5 %, 3 % і 6 % за масою). Досліджено структуру, морфологію, хімічний склад, оптичні властивості та 3D топографічний аналіз нанесених плівок. Рентгеноструктурний аналіз показує, що плівки NiO і NiO, леговані Cu, демонструють ГЦК структуру з домінуючим піком (111). Розмір кристалітів зменшується з 26,78 до 18,15 нм при легуванні Cu. Морфологію поверхні досліджували за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM). На SEM-зображеннях усі зразки показують утворення невеликих агрегатів неправильних частинок на неоднорідній поверхні. Хімічний склад і стехіометрія нанесених тонких плівок були підтверджені методом енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (ЕРС). Ширина забороненої зони (Eg) осаджених плівок була визначена за допомогою вимірювань поглинання, що демонструє зменшення зі збільшенням концентрації легуючої домішки Cu.

Nickel oxide (NiO) is a semiconductor with a face-centered cubic (fcc) crystalline structure. Due to its wide band gap, high transparency, and porous surface morphology, NiO exhibits high performance in various electronic and optoelectronic devices. For this reason, metal-doped NiO thin films have recently attracted the attention of researchers. In this study, NiO and copper-doped (Cu-doped) NiO thin films were deposited on glass substrates at a temperature of 420 °C using a simple and cost-effective spray pyrolysis technique. The amount of Cu doping was varied at different concentrations (0.5 %, 1.5 %, 3 %, and 6 % by weight). The structure, morphology, chemical composition, optical properties and 3D topography analysis of the deposited films were investigated. X-ray diffraction analysis shows that both NiO and Cu-doped NiO films exhibit an fcc structure with a dominant (111) peak. The crystallite size decreases from 26.78 to 18.15 nm with Cu doping. Surface morphology was examined using a scanning electron microscope (SEM). In the SEM images, all samples show the formation of small aggregates of irregular particles on the heterogeneous surface. The chemical composition and stoichiometry of the deposited thin films were confirmed by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The optical band gap (Eg) of the deposited films was determined through absorption measurements, demonstrating a decrease with increasing concentrations of Cu dopant.