Synthesis and characterization of nanocomposite thin film

Abstract

This study focuses on the preparation of zinc oxide (ZnO) thin films doped with different concentrations of copper (10%, 20%, and 30%) using the sol-gel method combined with the spin coating technique. The precursor solution consisted of 0.2 M zinc acetate as the zinc source and copper acetate as the doping agent. The films were deposited on pre-cleaned glass substrates at room temperature in the Laboratory of Radiation, Plasma, and Surface Physics (LRPPS). The samples were subjected to structural and optical characterization. X-ray diffraction (XRD) results confirmed that the films retained the hexagonal wurtzite structure of ZnO and exhibited a polycrystalline nature, even after copper incorporation. Optically, the films showed high transparency in the visible range, reaching approximately 95%, with a slight decrease as copper concentration increased. The optical bandgap was calculated using the Tauc model, revealing a reduction in energy gap values from 3.22 eV to 2.46 eV, indicating that Cu doping alters the electronic structure of the films. Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis was not available. The photocatalytic activity of the films was evaluated under natural sunlight in Ouargla, using the films to degrade three organic dyes: Methylene Blue (MB), Crystal Violet (CV), and Methyl Orange (MO). Results showed that the film doped with 10% Cu achieved the highest degradation efficiency for MB, reaching up to 80%, confirming the promising potential of these materials in environmental applications

Cette étude porte sur la préparation de couches minces d'oxyde de zinc (ZnO) dopées au cuivre à différentes concentrations (10 %, 20 % et 30 %) à l’aide de la méthode sol-gel combinée à la technique de spin coating. La solution précurseur contenait de l’acétate de zinc (0,2 M) comme source de Zn et de l’acétate de cuivre comme agent dopant. Les couches ont été déposées sur des lames de verre propres à température ambiante dans le laboratoire de rayonnement, plasma et physique des surfaces (LRPPS). Les échantillons ont été caractérisés sur les plans structurel et optique. Les analyses par diffraction des rayons X (XRD) ont montré que les films conservent la structure hexagonale wurtzite du ZnO, tout en présentant un caractère polycristallin, même après le dopage au cuivre. Sur le plan optique, les couches ont montré une transparence élevée dans la région visible (~95 %), avec une légère diminution à mesure que la concentration en cuivre augmente. La bande interdite optique a été déterminée selon le modèle de Tauc, montrant une réduction des valeurs de 3,22 eV à 2,46 eV, ce qui indique une modification de la structure électronique des couches due au dopage. L’analyse par microscope électronique à balayage (MEB) n’a pas été réalisée. L’activité photocatalytique des films a été évaluée sous lumière solaire naturelle à Ouargla, en testant la dégradation de trois colorants organiques : Bleu de méthylène (MB), Violet de cristal (CV) et Orange de méthyle (MO). Les résultats ont révélé que le film dopé à 10 % de cuivre présentait la meilleure efficacité, atteignant un taux de dégradation de 80 % pour le bleu de méthylène, confirmant ainsi le potentiel de ces matériaux dans les applications de dépollution

تم في هذا البحث تصنيع أغشية رقيقة من أوكسيد الزنك (ZnO) مطعّمة بعنصر النحاس بنسب مختلفة (10%، 20%، و30%)، باستخدام تقنية السول-جيل المقترنة بالطلاء الدوراني (spin coating). استُخدمت خلات الزنك الثنائية بتركيز 0.2 مول/لتر كمصدر للزنك، وخلات النحاس كمصدر للتطعيم، وتمت عملية الترسيب على شرائح زجاجية نظيفة في درجة حرارة الغرفة داخل مخبر الإشعاع والبلازما وفيزياء السطوح (LRPPS). بعد التحضير، خضعت العينات لتحليل شامل لتحديد خواصها البنيوية والبصرية والمورفولوجية. أظهرت نتائج حيود الأشعة السينية (XRD) وجود بنية متعددة التبلور لأوكسيد الزنك، محافظة على الشكل السداسي المعروف (wurtzite) حتى بعد إدخال النحاس. من الناحية البصرية، أظهرت الأغشية شفافية عالية في المجال المرئي، حيث بلغت نسبة النفاذية نحو 95%، مع انخفاض طفيف مع زيادة نسبة النحاس. كما أُجريت حسابات لفجوة الطاقة باستخدام طريقة Tauc، والتي أظهرت انخفاضًا تدريجيًا في قيمة فجوة الطاقة من 2.46 eV إلى 3.22 eV مع زيادة تركيز عنصر التطعيم، مما يشير إلى تأثير مباشر للنحاس على البنية الإلكترونية للمادة. لم نتحصل على نتائج المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) . تم اختبار الفعالية التحفيزية الضوئية لهذه الأغشية من خلال تعريضها لضوء الشمس الطبيعي في مدينة ورقلة، واستخدامها في إزالة ثلاثة أصباغ عضوية ملوثة: أزرق المثيلين (MB)، الكريستال البنفسجي (CV)، وبرتقالي المثيل (MO). أظهرت النتائج أن الأغشية، خاصة عند تركيز 10% من النحاس، تمتلك قدرة فعالة على تفكيك الملوثات العضوية، حيث وصلت كفاءة التحلل الضوئي لأزرق المثيلين إلى .%80.