Свойства твердых растворов, легированных пленок и нанокомпозитных систем на основе оксида цинка

Abstract

Рассмотрены свойства материалов на основе широкозонного полупроводника оксида цинка, перспективных для применений в оптоэлектронике, наноплазмонике и фотовольтаике. Изучены структурные и оптические свойства пленок твердых растворов Zn₁₋xCdxO c различным содержанием кадмия, полученных методом магнетронного распыления на сапфировых подложках. Спектры низкотемпературной фотолюминесценции выявили присутствие пиков, связанных с процессами излучательной рекомбинации в областях пленки с различным содержанием кадмия. Рентгенофазовый анализ обнаружил в пленках наличие фазы кубического оксида кадмия. Теоретическое исследование термодинамических свойств твердых растворов позволило качественно интерпретировать наблюдаемые экспериментальные явления. Установлено, что рост пленки гомогенного твердого раствора возможен только при высоких температурах, а область негомогенных составов может быть сужена вследствие упругой деформации, вызванной несоответствием периодов решеток пленка–подложка. Выявлены движущие силы спинодального распада системы Zn₁₋xCdxO. Фуллереноподобные кластеры Znn–xCdxOn использованы для расчета ширины запрещенной зоны и энергии когезии твердых растворов ZnCdO. Рассмотрены свойства прозрачных электропроводных пленок ZnO, легированных донорными примесями III группы (Al, Ga, In). Показано, что за центры ловушек для дырок в процессах фотопроводимости в оксиде цинка отвечают вакансии кислорода. Рассмотрены особенности фотолюминесценции нанокомпозитных систем металл–ZnO, обусловленные поверхностными плазмонами.

Розглянуто властивості матеріалів на основі широкозонного напівпровідника оксиду цинку, перспективних для застосувань в оптоелектроніці, наноплазмоніці та фотовольтаїці. Вивчено структурні та оптичні властивості плівок твердих розчинів Zn₁₋xCdxO з різним вмістом кадмію, що отримано методом магнетронного розпилення на сапфірових підкладках. Спектри низькотемпературної фотолюмінесценції виявили присутність піків, пов’язаних з процесами випромінювальної рекомбінації в областях плівки з різним вмістом кадмію. Рентгенофазовий аналіз виявив в плівках наявність фази кубічного оксиду кадмію. Теоретичне дослідження термодинамічних властивостей твердих розчинів дозволило якісно інтерпретувати експериментальні явища, що спостерігаються. Встановлено, що зростання плівки гомогенного твердого розчину можливо тільки при високих температурах, а область негомогенних складів може бути звужена внаслідок пружної деформації, викликаної невідповідністю періодів граток плівка–підкладка. Виявлено рушійні сили спінодального розпаду системи Zn₁₋xCdxO. Фулереноподібні кластери Znn–xCdxOn використано для розрахунку ширини забороненої зони і енергії когезії твердих розчинів ZnCdO. Розглянуто властивості прозорих електропровідних плівок ZnO, легованих донорними домішками III групи (Al, Ga, In). Показано, що за центри пасток для дірок в процесах фотопровідності в оксиді цинку відповідають вакансії кисню. Розглянуто особливості фотолюмінесценції нанокомпозитних систем метал–ZnO, зумовлені поверхневими плазмонами.

We have studied the properties of materials based on wide band-gap zinc oxide semiconductor that are promising for applications in optoelectronics, nanoplasmonics and photovoltaics. The structural and optical properties of Zn₁₋xCdxO solid solution films with different cadmium content grown by magnetron sputtering on sapphire substrates were investigated. The low-temperature photoluminescence spectra exhibited emission peaks associated with the radiative recombination processes in the film areas of different cadmium content. The x-ray phase analysis showed the presence of a cubic phase of cadmium oxide in the films. Theoretical study of the thermodynamic properties of the solid solutions made it possible to interpret qualitatively the observed experimental phenomena. It was found that the growth of the films of homogeneous solid solutions was possible only at high temperatures, and the immiscibility gap was narrowed due to the elastic deformation energy caused by the lattice mismatch between the film and the substrate. Driving forces of spinodal decomposition in the Zn₁₋xCdxO system was revealed. Fullerene-like clusters Znn–xCdxOn were used for calculation the band gap and the cohesive energy of ZnCdO solid solutions. The properties of transparent conductive ZnO films doped with donor impurities of group III (Al, Ga, In) were considered. It is shown that the centers of hole traps in the photoconductivity processes in zinc oxide are responsible by the oxygen vacancies. Photoluminescence of nanocomposite metal–ZnO structures due to surface plasmons was reviewed.