Correlation Between the Structural, Morphological and Optical Characteristics of ZnO Thin Films Prepared by Thermal Evaporation

Abstract

У цьому дослідженні використовували термічне випаровування для осадження тонких плівок оксиду цинку (ZnO). Потім плівки піддавали відпалу при різних температурах від 350 °C до 500 °C з фіксованим часом відпалу 2,5 години. Товщина плівки була постійною на рівні 300 нм. Морфологічні, оптичні властивості та структурні зміни плівок ZnO досліджували за допомогою методів скануючої електронної мікроскопії (SEM), рентгенівської дифракції (XRD) та спектроскопії у видимому ультрафіолетовому діапазоні (VIS-UV). Картина XRD підтвердила, що плівки ZnO мають гексагональну кристалічну структуру вюрциту. Значення повної ширини на половині максимуму (FWHM) дифракційних піків зменшувалися зі збільшенням температури відпалу, що вказує на кращу кристалічність тонких плівок при вищих температурах. Зображення SEM показують, що розмір зерна тонких плівок має тенденцію до збільшення зі збільшенням температури відпалу. Кути контакту зразків були значно збільшені, а змочуваність поверхні шарів змінилася з гідрофільної на гідрофобну. Залежності VIS-UV показали, що плівки ZnO були прозорими у видимій області. Коефіцієнт оптичного пропускання дещо зростає зі збільшенням температури відпалу. Оптичний зазор (Eg) плівок зменшувався зі збільшенням температури відпалу. Розраховані значення енергії Урбаха показали, що дефекти в плівках ZnO зменшуються з температурою відпалу. Нарешті, було визначено кореляцію між структурними, морфологічними, змочуваними та оптичними властивостями зразків. Спостерігалося, що оптична заборонена зона корелює пропорційно з розміром кристаліту та обернено з енергією Урбаха як функцією температури відпалу.

In this study, we used thermal evaporation to deposit thin films of zinc oxide (ZnO). The films were then subjected to annealing at various temperatures ranging from 350 °C to 500 °C, with a fixed annealing time of 2.5 hours. The film thickness was kept constant at 300 nm. The morphological, optical properties and structural changes of the ZnO films were investigated using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and visible-ultraviolet spectroscopy (VIS-UV) techniques. The XRD pattern also confirmed that the ZnO films exhibited a hexagonal wurtzite crystal structure. The full width at half maximum (FWHM) values of the diffraction peaks decreased as the annealing temperature increased, indicating better crystallinity of the thin films at higher temperatures. SEM images show that the grain size of thin films tends to increase as the annealing temperature increases. The contact angles of the samples were significantly increased and the surface wettability of the layers changed from hydrophilic to hydrophobic after annealing temperature. The VIS-UV data showed that the ZnO films were transparent in the visible region. The optical transmittance slightly increased with increasing annealing temperature. The optical gap (Eg) of the films decreased as the annealing temperature increased. The calculated Urbach energy values indicated that the defects in the ZnO films decreased with annealing temperatures. Finally, the correlation between the structural, morphological, wettability and optical features of the samples was determined. The optical band gap was observed to correlate proportionally with crystallite size and inversely with Urbach energy as a function of annealing temperature.