Effect of Fe-incorporation on Structural and Optoelectronic Properties of Spin Coated p/n Type ZnO Thin Films

Abstract

У роботі повідомляється про вплив включення Fe на структурні та оптоелектронні властивості тонких плівок ZnO, отриманих методом центрифугування. Номінальне співвідношення Fe/Zn у розчині становило 7 %. Рентгенограми плівок показали, що леговане включення призводить до істотних змін структурних характеристик плівок ZnO. Усі плівки мають полікристалічну структуру з переважним зростанням вздовж площини (002) плівки ZnO. Розмір кристалітів був розрахований за відомою формулою Шеррера і виявився в діапазоні 22-17 нм. Найбільше середнє значення оптичного пропускання у видимій області спектру належало плівці ZnO, легованій Fe. Результати Раманівського розсіювання підтвердили спостереження методів XRD та УФ-спектроскопії появою цих місць на ділянках Zn+2. Ці результати пояснюються теоретично і порівнюються з тими, про які повідомляється іншими дослідниками. Результати Холівських вимірювань тонких плівок ZnO та ZnO:Fe виявляють високу концентрацію електронів приблизно 1016 см – 3 та їх низьку рухливість 2.6 см2/Вс. Усі вирощені зразки демонструють неоднозначний тип провідності носіїв (p- або n-тип) в автоматичних Холівських вимірюваннях Ван-дер Поу. Аналогічний результат спостерігався раніше іншими групами у плівках ZnO, легованих Li та As. Однак, охарактеризувавши зразки рентгено-електронною спектроскопією (XPS), ми продемонстрували, що неоднозначний n-тип носіїв у наших плівках ZnO не є внутрішньою поведінкою зразків, а обумовлений стійким ефектом фотопровідності в ZnO.

This paper reports the effect of Fe incorporation on structural and electro-optical properties of ZnO thin films prepared by spin coating techniques. The Fe/Zn nominal volume ratio was 7 % in the solution. X-ray diffraction patterns of the films showed that doped incorporation leads to substantial changes in the structural characteristics of ZnO films. All the films have polycrystalline structure, with a preferential growth along the ZnO (002) plane. The crystallite size was calculated using a well-known Scherrer’s formula and found to be in the range of 22-17 nm. The highest average optical transmittance value in the visible region was belonging to the Fe doped ZnO film. The results of the Raman scattering confirmed the observations of XRD and UV-Vis analysis techniques by the appearance of these occupancies at Zn+2 sites. These results are explained theoretically and are compared with those reported by other workers. The results of Hall measurement of ZnO and ZnO:Fe thin films reveal a high electron concentration around 1016 cm – 3 and low mobility 2.6 cm2/Vs. All as-grown samples show ambiguous carrier conductivity type (p-type and ntype) in the automatic Van der Pauw Hall measurement. A similar result has been observed in Li-doped ZnO and in As-doped ZnO films by other groups before. However, by characterizing our samples whit XPS, we have demonstrated that the ambiguous carrier type n in intended our ZnO films is not intrinsic behavior of the samples. It is due to the persistent photoconductivity effect in ZnO.