Structural, Optical, and Electrical Properties of ZnO/Nb/ZnO Multilayer Thin Films

Abstract

ZnO multilayers and pure ZnO thin films were deposited onto glass using a sputtering system, and were subsequently characterized by X-ray diffractometry and UV-Vis spectroscopy. The resistivity of the samples was measured by the four-probe method. All films exhibited preferential orientation along the c-axis and the peak position (002) shifted to a lower position, indicating a reduction in the unit cell size. The pure ZnO thin film exhibited a maximum transmittance of approximately 98%, which decreased as the Nb layer increased, thus increasing the absorbance of the multilayer thin films. The energy band gap decreased as the thickness of the metal increased which higher value was 3.18 eV. The resistivity had a minimum of 0.1 × 10-4 Ω m.

Propriedades estruturais, ópticas e elétricas do sistema de multicamadas (ZnO/Nb)3/ZnO e de co-deposição ZnO-Nb

“…1 (a) Fig.1 (b). Pode-se observar que C1, C2 e C3 apresentaram um único pico de difração (002) indicando a alta orientação preferencial ao longo do eixo c, perpendicular ao substrato, apresentando estrutura colunar hexagonal do tipo wurtzita [4,8], entretanto a baixa intensidade do pico indica uma pobre qualidade cristalina. A amostra C2 apresentou melhor qualidade cristalina se comparado a C1.…”

“…Por outro lado, C3 possuiu uma melhor transmissão que C2, em acordo com hipótese das regiões Nb:ZnO em sanduíche com filmes finos de ZnO. Já se sabe que a transmissão óptica de filmes finos de ZnO puro é acima de 80% [4,8], então quando uma camada metálica está presente na estrutura, há mais portadores de carga que absorvem os fóton incidentes. A Fig.…”

“…3 apresenta o espectro de absorção óptica em função do comprimento de onda. Extrapolando a região linear de crescimento da absorbância, foi possível calcular a energia de band gap [4]. Para as amostras C1 essa energia é 3,31 eV, valor muito próximo ao filme fino de ZnO puro [1].…”

“…Já foi observado que as propriedades elétricas do ZnO podem ser controladas por defeitos intrínsecos como vacâncias de oxigênio ou zinco intersticial, na qual dopagens com elementos selecionados pode ser um método para desenvolver tanto as propriedade elétricas, quanto óticas [3]. Num trabalho anterior mostramos que filmes finos de Nb em multicamada com ZnO pode aumentar a condutividade elétrica [4] melhorando a mobilidade eletrônica [2]. Sistemas construídos em estruturas tipo sanduíche isolante-metal-isolante já foram utilizados para fabricar TCOs, os quais se mostraram ser candidatos promissores por apresentar baixa resistência de placa, alta transparência na faixa do visível e baixa espessura metálica, uma vez que espessuras na ordem de aproximadamente 10 nm já se fazem suficientes [5].…”

“…Por outro lado, já foi observado [7]. Entretanto, multicamadas de ZnO/Nb crescidos por sputtering, apresentaram transparência ao redor de 58%, na qual a espessura do metal foi controlado (27 nm) de forma a garantir uma resistividade de 0,1×10 -4 Ω cm [4]. Contudo, não há estudos relacionados a dispositivos em tricamadas metálicas ZnO/metal/ZnO/metal/ZnO/metal/ZnO e como a espessura do metal pode influenciar as propriedades cristalinas, ópticas e elétricas.…”