Pengaruh Ketebalan Bilayer Terhadap Sifat Morfologi, Optik, dan Elektrikal Nanolaminasi Al2O3/ZnO

Hasil dan Diskusi

Karakteristik Morfologi

Nanolaminasi dengan ketebalan lapisan ganda berbeda yang ditanam pada SiO₂ /Si substrat diukur pada penampang dengan TEM. Tiga contoh ilustrasi nanolaminasi dengan ketebalan lapisan ganda 50, 10, dan 2 nm ditunjukkan pada Gambar 2, termasuk gambar perbesaran tinggi dari sampel 50 dan 10 nm. Batas yang jelas dapat diamati antara Al₂ O₃ dan lapisan ZnO, dan ketebalan nanolaminasi total ditunjukkan. Dengan bantuan pengukuran difraksi sinar-X (Bruker D8 ADVANCE) sebelumnya (tidak diberikan di sini), kami tidak menemukan puncak karakteristik Al₂ O₃ dan ZnO, dan karenanya semua nanolaminasi yang tumbuh memiliki keadaan amorf. Pernyataan ini dapat diverifikasi oleh gambar TEM perbesaran tinggi. Padahal Al₂ O₃ /ZnO 2 (25/25 nm) sampel memiliki lapisan ganda paling tebal dalam pekerjaan ini, proses kristalisasi tidak ada di dalamnya.

Gambar TEM dari Al₂ O₃ /ZnO nanolaminasi dengan ketebalan lapisan ganda yang berbeda:a 50 nm, b 10 nm, dan c 2 nm. Dan gambar perbesaran tinggi:d 50 nm dan e 10 nm

Seperti yang dilaporkan di tempat lain [6, 21], Al₂ O₃ lapisan di Al₂ O₃ /ZnO nanolaminasi yang dibuat dengan metode ALD selalu dalam fase amorf dan dapat menghambat pertumbuhan kristal ZnO karena ZnO dipaksa untuk renukleasi pada Al₂ O₃ permukaan. Proses kristalisasi lapisan ultra tipis sangat kompleks, dan banyak faktor yang harus diperhitungkan, seperti energi antarmuka, ketebalan lapisan, titik leleh sistem, dan suhu kristalisasi amorf massal [6, 22]. Viter dkk. menemukan bahwa Al₂ O₃ /ZnO nanolaminasi dengan ketebalan lapisan ganda 20 nm (rasio 1:1) memiliki sifat amorf dan mereka menghubungkan hasil ini dengan ketebalan minimum yang diperlukan untuk memungkinkan kristalisasi [22]. López dkk. menemukan fenomena serupa dan mereka berpikir bahwa denyut nadi serta durasi pembersihan prosedur pertumbuhan terlalu pendek untuk memberikan film mereka cukup waktu untuk menghasilkan beberapa pemesanan dan beberapa fase kristal [23]. Sedangkan jari-jari Bohr dari ZnO curah adalah 23 Å [4]. Al₂ O₃ /ZnO 25 (2/2 nm) dan Al₂ O₃ /ZnO 50 (1/1 nm) nanolaminasi memiliki ketebalan ZnO lebih kecil dari jari-jari Bohr; oleh karena itu, efek kurungan kuantum harus dipertimbangkan. Khusus untuk sublapisan semikonduktor ZnO, diyakini bahwa efek ini dapat menyebabkan perubahan dramatis dalam perilaku dielektrik [21], dan kami akan membahasnya dalam konten berikut.

Untuk menyelidiki morfologi permukaan nanolaminasi, pengukuran AFM diterapkan untuk sampel yang diendapkan pada SiO₂ /Si, dan hasil 3D ditunjukkan pada Gambar. 3. Dapat diamati bahwa fitur berbentuk bukit didominasi pada permukaan sampel dan ketinggian permukaan menurun dengan ketebalan lapisan ganda yang lebih rendah. Sampel dengan ketebalan lapisan ganda rendah, yaitu Al₂ O₃ /ZnO 25 (2/2 nm) dan Al₂ O₃ /ZnO 50 (1/1 nm), menunjukkan permukaan yang halus dengan kekasaran permukaan yang tidak signifikan. Kekasaran akar rata-rata kuadrat R _q dari setiap nanolaminasi diperkirakan dari data AFM dan kira-kira berkisar antara 0,81 hingga 1,30 nm. Selain itu, hubungan antara ketebalan lapisan ganda dan R _q terungkap pada Gambar. 4. Pada awalnya, nilai R _q menunjukkan perilaku linier vs peningkatan ketebalan bilayer, kemudian tetap stabil ketika ketebalan bilayer meningkat ke nilai tertentu, seperti halnya untuk penelitian lain [23, 24]. Al₂ O₃ dalam pekerjaan ini berada dalam fase amorf di bawah kondisi pertumbuhan di atas, yang juga telah dibuktikan dalam laporan kami sebelumnya [25]. Al₂ . yang amorf O₃ lapisan sangat halus dan sesuai dengan topografi lapisan ZnO yang mendasarinya [26]. Seperti disebutkan di atas, karena sela Al₂ O₃ lapisan, pertumbuhan kristal ZnO akibatnya terganggu. Dengan membatasi ukuran nanocrystals ZnO, sela Al₂ O₃ lapisan mencegah Al₂ O₃ /ZnO nanolaminasi dari pengerasan [24]. Efek halus ini telah terbukti tidak ada hubungannya dengan Al₂ O₃ ketebalan lapisan dan hanya berhubungan dengan jumlah Al₂ . yang disisipkan O₃ lapisan [24]. Oleh karena itu, dengan berkurangnya ketebalan lapisan ganda, semakin banyak Al₂ O₃ lapisan dimasukkan ke dalam nanolaminasi untuk menghaluskan kekasaran, yang mengarah ke nanolaminasi lebih halus. Ketika ketebalan lapisan ganda meningkat ke nilai tertentu, efek halus ini tidak lagi terlihat jelas.

Gambar 3D AFM dari nanolaminasi dengan ketebalan lapisan ganda yang berbeda:a 2 (25/25 nm), b 5 (10/10 nm), c 10 (5/5 nm), h 25 (2/2 nm), dan e 50 (1/1 nm)

Kekasaran permukaan nanolaminasi dengan ketebalan lapisan ganda yang berbeda

Properti Optik

Dengan melakukan pengukuran SE [17, 27, 28] yang didasarkan pada perekaman dan penghitungan perubahan cahaya terpolarisasi linier yang dipantulkan dari permukaan sampel, konstanta optik dan ketebalan film nanolaminasi dapat disimpulkan dari data mentah. Untuk mendapatkan detail yang lebih akurat, nanolaminasi yang ditumbuhkan pada SiO₂ Substrat /Si dipilih sebagai objek pengujian karena tidak tembus cahaya selama pengukuran SE. Setelah akuisisi data mentah, model multilayer dibangun yang mengandung substrat Si semi-tak terbatas, SiO₂ lapisan, dan lapisan AZO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Nanolaminasi, yaitu lapisan AZO dalam model, dianggap sebagai keseluruhan untuk dipasang. Lapisan oksidasi substrat Si berukuran sekitar 330 nm, yang langsung disubstitusikan ke dalam model tanpa pemasangan. Selain itu, tidak ada pendekatan media efektif Bruggeman yang diperkenalkan dalam model optik ini karena kekasaran permukaan sampel yang dapat diabaikan berdasarkan hasil AFM. Karena model optik ini, model dispersi Forouhi-Bloomer (FB) digunakan agar sesuai dengan spektrum elipsometri (Ψ dan dalam kisaran 200–1000 nm) dari nanolaminasi [29, 30]. Ketebalan akhir dan sifat optik dipasang dan dievaluasi untuk meminimalkan kesalahan root-mean-square (RMSE) sebagai berikut:

Model optik sampel yang ditumbuhkan pada SiO₂ /Si substrat untuk analisis SE

Di sini, T , M , exp, dan kal masing-masing mewakili jumlah titik data dalam spektrum, jumlah parameter variabel dalam model, data eksperimen, dan data yang dihitung.

Ketebalan nanolaminasi yang dipasang ditunjukkan pada Tabel 2. Ketebalan tersebut sangat mendekati nilai yang diperoleh dari pengukuran TEM, yang menunjukkan keakuratan proses pemasangan. Kesalahan pemasangan RMSE juga terungkap dalam Tabel 2, dan nilainya dalam batas yang diizinkan, yang menunjukkan keandalan hasil pemasangan. Ketebalan sampel 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm), dan 10 (5/5 nm) menunjukkan tren yang mulus, dan fluktuasi kecil dihasilkan dari berbagai tingkat reaksi kimia permukaan ALD. Sebaliknya, ketebalan sampel 25 (2/2 nm) dan 50 (1/1 nm) menurun dengan jelas seiring dengan penurunan ketebalan bilayer. Oleh karena itu, Al₂ O₃ /ZnO nanolaminasi menunjukkan ketebalan yang berbeda dengan ketebalan bilayer yang rendah, bahkan jika nomor siklus tetap sama dalam proses pengendapan. Tabel 3 merangkum tingkat pertumbuhan Al₂ O₃ dan sublapisan ZnO (rasio ketebalan 1:1) menggunakan ketebalan yang tercantum pada Tabel 2. Nilai meningkat pada awalnya dan jenuh akhirnya ketika siklus di sublapisan meningkat. Variasi ketebalan film dan laju pertumbuhan dapat dihasilkan dari reaksi antarmuka antara Al₂ O₃ dan lapisan ZnO yang akan diperkenalkan pada konten berikut, dan sampel dengan ketebalan lapisan ganda yang lebih rendah akan lebih terpengaruh. Karvonen dkk. memberikan penjelasan serupa, dan mereka menghubungkan variasi dalam laju pertumbuhan dengan etsa TMA ZnO selama Al₂ O₃ pertumbuhan [7]. Elam dkk. menemukan bahwa tingkat pertumbuhan Al₂ O₃ dan ZnO meningkat dengan jumlah siklus ALD [24]. Mereka menyimpulkan bahwa penurunan laju pertumbuhan siklus ALD awal mungkin disebabkan oleh proses nukleasi yang terjadi saat melakukan transisi dari Al₂ O₃ menjadi ZnO dan dari ZnO menjadi Al₂ O₃ . Hanya ketika kristal baru terbentuk, laju pertumbuhan mencapai nilai kondisi tunak.

Konstanta optik Al₂ O₃ /ZnO nanolaminasi diilustrasikan pada Gambar. 6. Ini menunjukkan berbagai indeks bias n dan koefisien kepunahan k dengan ketebalan lapisan ganda yang berbeda. Gambar 6a menjelaskan spektrum dispersi indeks bias nanolaminasi dengan ketebalan lapisan ganda yang berbeda. Nilai n menurun secara bertahap dengan penurunan ketebalan bilayer di kisaran 50 sampai 2 nm karena perubahan pertumbuhan dan penetrasi Al [21, 31]. n (λ ) karakteristik ZnO dapat diamati untuk nanolaminasi dengan ketebalan lapisan ganda 50, 20, dan 10 nm. Dan bentuk garis ini perlahan-lahan merosot dan menghilang saat ketebalan lapisan ganda di bawah 4 nm. Akibatnya, n (λ ) karakteristik cenderung berperilaku seperti Al₂ O₃ seperti yang ditunjukkan sampel 50 (1/1 nm). k spektrum dispersi dapat ditemukan pada Gambar. 6b. Kurva yang berbeda mewakili sampel yang berbeda dengan berbagai ketebalan bilayer. Di wilayah 430-1000 nm, koefisien kepunahan kira-kira sama dengan 0, yaitu, nanolaminasi hampir transparan di wilayah panjang gelombang itu. Sementara itu, pergeseran biru terjadi pada tepi serapan dengan penurunan ketebalan bilayer. Jarak pergeseran sampel 25 (2/2 nm) dan 50 (1/1 nm) lebih besar, sehingga tepi serapan secara bertahap bergerak keluar dari daerah spektral dan menyajikan karakteristik Al₂ O₃ . Secara keseluruhan, karakteristik perpindahan konstanta optik dari ZnO ke Al₂ O₃ . Perubahan yang diamati dari n dan k ditentukan oleh dua fenomena fisik. Di satu sisi, mereka dipengaruhi oleh efek kurungan kuantum. Kita dapat melihat bahwa sampel 25 (2/2 nm) dan 50 (1/1 nm) memiliki ketebalan sublapisan yang lebih kecil dari radius Bohr dari ZnO massal, sehingga perilaku dielektriknya berubah lebih dramatis daripada sampel lainnya. Di sisi lain, didasarkan pada mekanisme pertumbuhan yang mengarah pada penetrasi Al ke dalam lapisan ZnO [22, 24]. Menurut mekanisme pertumbuhannya, reaksi substitusi Zn dengan Al dapat terjadi pada antarmuka antara ZnO dan Al₂ O₃ lapisan:

dimana ZnO-OH dan Al (C₂ H₅ )₃ adalah zat di permukaan dan fase gas, secara bersamaan. Karena reaksi antar muka ini, doping Al ke dalam lapisan ZnO dapat terjadi dan rasio ZnO dalam nanolaminasi dapat dikurangi. Oleh karena itu, dengan penurunan ketebalan lapisan ganda, antarmuka antara ZnO dan Al₂ O₃ lapisan meningkat, dan rasio ZnO dalam nanolaminasi menurun. Ini dapat diverifikasi dengan gambar TEM perbesaran tinggi yang ditunjukkan pada Gambar. 2d, e. Ketika ketebalan lapisan ganda berkurang, batas antara Al₂ O₃ dan lapisan ZnO menjadi lebih lebar dan kabur. Itu membuat karakteristik transfer seluruh nanolaminasi menjadi Al₂ O₃ .

Konstanta optik nanolaminasi yang ditumbuhkan pada SiO₂ /Si substrat. a Indeks bias n . b Koefisien kepunahan k

Untuk pemahaman yang lebih baik tentang pergeseran biru tepi serapan, ekstrapolasi Tauc diterapkan untuk mengevaluasi informasi celah pita nanolaminasi dengan ketebalan bilayer 50, 20, dan 10 nm. Untuk mengevaluasi energi celah pita, koefisien kepunahan nanolaminasi digunakan. Kepunahan, energi celah pita, dan koefisien penyerapan dikaitkan menurut rumus berikut [32]:

dimana α adalah koefisien penyerapan optik, A adalah konstanta, dan E _g adalah energi celah pita optik. Atas dasar Persamaan. (7) dan (8), plot (αhν ) ² vs. hν telah dibuat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Nilai energi celah pita E _g dapat ditentukan secara grafis oleh x sumbu dan pemasangan linier di bagian linier dari tepi serapan, yang disediakan dalam gambar sisipan pada Gbr. 7. Informasi celah pita sampel 25 (2/2 nm) dan 50 (1/1 nm) tidak diungkapkan pada Gambar . 7, karena bagian linier dari tepi serapan melebihi rentang spektral yang berevolusi dari spektrum koefisien kepunahan, yang dapat menyebabkan hasil yang tidak akurat. Dari Gambar 7, terlihat bahwa energi celah pita nanolaminasi menunjukkan tren yang meningkat dengan penurunan ketebalan bilayer, yang dapat diinterpretasikan oleh efek BM [33,34,35]. Disela Al ³⁺ menggantikan Zn ²⁺ di antarmuka Al₂ O₃ /ZnO melapisi dan memberikan elektron ekstra. Jadi dalam nanolaminasi, konsentrasi pembawa bebas meningkat, menyebabkan energi celah pita bergerak ke wilayah energi yang lebih tinggi. Persamaan berikut dapat menggambarkan efek ini dengan tepat [35]:

di mana E _g ^BM dan E _g ⁰ mewakili peningkatan celah pita yang disebabkan oleh efek BM dan bandwidth terlarang intrinsik, sedangkan h , m _e ^* , dan n _e adalah konstanta Plank, massa elektron efektif di pita konduksi, dan kerapatan pembawa elektron.

Celah pita optik yang dievaluasi dari nanolaminasi dengan ketebalan bilayer yang berbeda

Gambar 8 memberikan spektrum transmitansi dan absorbansi dari seluruh kelompok. Dapat ditemukan bahwa tepi serapan tajam terletak di daerah 200 hingga 400 nm, yaitu daerah ultraviolet. Yang penting, tepi penyerapan bergerak ke panjang gelombang yang lebih pendek (pergeseran biru) dengan penurunan ketebalan bilayer, dan tren ini persis dekat dengan hasil sebelumnya yang dihitung dari pengukuran SE. Pergeseran biru ini disebabkan oleh efek BM yang membuat peningkatan bandgap. Namun, pergeseran biru tidak berurutan, karena pada nanolaminasi 25 (2/2 nm) dan 50 (1/1 nm), efek kurungan kuantum menjadi dominan, dan reaksi antar muka semakin intensif yang membuat nanolaminasi menunjukkan karakteristik Al₂ O₃ perlahan-lahan. Pada titik ini, pergeseran biru adalah kontribusi total dari efek BM, efek kurungan kuantum, dan evolusi karakteristik nanolaminasi. Artinya, ketiga faktor ini menyebabkan pergeseran besar dari tepi serapan. Secara keseluruhan, tepi serapan dapat dimodulasi oleh ketebalan lapisan ganda di wilayah ultraviolet (200–400 nm). Menurut ini, itu dapat diterapkan sebagai detektor ultraviolet. Selain itu, semua Al₂ O₃ /ZnO nanolaminasi menunjukkan transmitansi di atas 90% di daerah terlihat dan dekat-inframerah, bersama dengan tepi pita serapan yang tajam. Transmitansi di sini menunjukkan nilai dan tren yang hampir sama dengan banyak bahan TCO lainnya [36], yang memungkinkan untuk diterapkan sebagai bahan TCO.

a Transmisi dan b spektrum absorbansi nanolaminasi yang ditanam pada substrat kuarsa dengan ketebalan lapisan ganda yang berbeda

Properti Listrik

Pengukuran efek Hall dilakukan untuk mengkorelasikan analisis dengan sifat kelistrikan Al₂ O₃ /ZnO nanolaminasi. Nanolaminasi yang disiapkan pada substrat kuarsa dipilih sebagai sampel uji untuk menghilangkan distribusi resistivitas spasial, dan Gambar 9 menampilkan hasil pengujian. Pada awalnya, konsentrasi pembawa dan resistivitas menunjukkan sedikit perubahan dan tetap di sekitar 10 ¹⁹ cm ⁻³ dan 10 ⁻²  cm, masing-masing. Dengan penurunan ketebalan bilayer, konsentrasi pembawa turun tajam dan resistivitas meningkat juga. Hal ini dapat diinterpretasikan dengan reaksi antar muka Al₂ O₃ /ZnO lapisan yang menghasilkan evolusi karakteristik nanolaminasi. Nanolaminasi menunjukkan karakteristik isolasi Al₂ O₃ secara bertahap dan menyadari merdu dari resistivitas dengan mengubah ketebalan bilayer mereka. Selain itu, nilai konsentrasi pembawa nanolaminasi 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm), dan 10 (5/5 nm) adalah 4,99 × 10 ¹⁹ , 5.26 × 10 ¹⁹ , dan 8,91 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , masing-masing. Ini menunjukkan pertumbuhan yang lambat sesuai dengan penjelasan hasil celah pita, dan nilainya kurang lebih sama dengan bahan TCO dari hasil laporan lainnya [25, 37]. Jadi ketiga jenis nanolaminasi ini tidak hanya memiliki konduktivitas listrik yang baik tetapi juga transmitansi cahaya yang sangat baik di wilayah inframerah dekat dan tampak. Sangat penting untuk Al₂ O₃ /ZnO nanolaminasi untuk berperan dalam bidang konduktor transparan. Sampel 25 (2/2 nm) dan 50 (1/1 nm) menyajikan karakteristik insulasi dan mewujudkan ketuntasan resistivitas, yang dapat diterapkan sebagai lapisan resistivitas tinggi pada perangkat semikonduktor.

Konsentrasi pembawa dan resistivitas nanolaminasi yang ditanam pada substrat kuarsa dengan ketebalan lapisan ganda yang berbeda