Optical Properties of ZnO Thin Film: A Simulation Study for Optoelectronic Applications

Abstract

Спектроскопічна еліпсометрія широко використовується для дослідження оптичних властивостей тонкоплівкових покриттів з оптично гладкими поверхнями. Теоретичне моделювання розроблено в рамках теорії моделі Селмейера з метою аналізу, розуміння та прогнозування оптичної поведінки тонкої плівки ZnO. ZnO є добре відомим напівпровідником з можливістю застосування в оптоелектроніці, наприклад, в сонячних елементах, світловипромінюючих діодах, рідкокристалічних дисплеях тощо. У роботі представлений аналіз оптичних властивостей тонких плівок ZnO, отриманих методом Селмейера за допомогою спектрів пропускання. Для цього був використаний пакет MATLAB для генерування даних стосовно пропускання, і було помічено, що плівка демонструє 96 % пропускання в діапазоні 500-1000 нм, що є найкращим показником для сонячного спектру. Ці дані стосовно пропускання були використані для розрахунку різних оптичних параметрів, таких як показник заломлення, коефіцієнт екстинкції та оптична ширина забороненої зони, які були отримані за різними формулами в залежності від довжини хвилі в УФ і видимій областях. Встановлено, що прямий перехід забороненої зони становить 3,23 еВ, а показник заломлення та коефіцієнт екстинкції змінюються до 400 нм. Така дослідницька робота допоможе нам знайти найкращу технологію тонкоплівкового покриття для розробки оптоелектронних пристроїв. Моделювання та порівняння оптичних властивостей допомагає оптимізувати найкраще співвідношення матеріал/властивості для перспективних пристроїв. Дане дослідження може забезпечити екологічно чистий і недорогий інструмент для оптоелектронних пристроїв і пристроїв на сонячних елементах.

Spectroscopic ellipsometry is widely used to find the optical properties of thin film coatings with optically smooth surfaces. Theoretical modeling is developed within the Sellmeier model theory in order to analyze, understand and predict the optical behavior of a ZnO thin film. ZnO is a well-known semiconductor with possible applications in optoelectronics such as solar cells, light emitting diodes, liquid crystal displays, etc. This paper presents an analysis of the optical properties of ZnO thin films obtained by the Sellmeier method using transmission spectra. For this, the computer language MATLAB was employed to generate the transmission data, and the film was observed to exhibit 96 % transmittance in the 500- 1000 nm range, superior for the solar spectrum. These transmission data were used to calculate various optical parameters such as refractive index, extinction coefficient, and optical band gap, which were calculated using different formulas with respect to wavelength in the UV-visible region. It is found that the direct band gap transition is 3.23 eV, while the refractive index and extinction coefficient show variation up to 400 nm. This sort of research work will help us find the best thin film coating technology for designing optoelectronic devices. Simulation and comparison of the optical properties help to optimize the best material/property ratio for promising devices. The present investigation can provide an environment friendly and low-cost tool for optoelectronic and solar cell devices.