Étude des propriétés structurales, topographiques et optiques de couches minces de ZnO élaborées par pulvérisation cathodique

Abstract

Des couches minces d'oxyde de zinc (ZnO) ont été déposées à température ambiante sur des substrats de verre borosilicaté et de quartz amorphe par pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence (RF). Après dépôt, les couches minces ont subi un traitement thermique à l'air à 400 °C pendant une heure afin d'améliorer leurs propriétés structurales, morphologiques et optiques. L'influence du substrat sur ces propriétés a été étudiée par diffraction des rayons X (DRX), microscopie à force atomique (AFM) et spectrophotométrie UV-visible. Les analyses DRX montrent que toutes les couches minces de ZnO présentent une forte orientation préférentielle selon le plan (002), indiquant une structure cristalline hexagonale de type würtzite hautement ordonnée, avec l'axe c perpendiculaire au substrat. Les résultats DRX indiquent également que les couches déposées sur un substrat de quartz présentent une meilleure cristallinité que celles déposées sur un substrat de verre. L'analyse des images AFM a révélé que la morphologie et la rugosité de surface des couches minces sont influencées par le substrat. Les analyses par spectroscopie UV-visible montrent que tous les films minces de ZnO sont transparents dans le visible, avec une transmittance moyenne de 85,8 % pour le film déposé sur un substrat de quartz et de 82,8 % pour celui déposé sur un substrat de verre. Les résultats indiquent que la largeur de la bande interdite optique directe est également influencée par la nature du substrat

Zinc oxide (ZnO) thin films were deposited on borosilicate glass and amorphous quartz substrates at room temperature by radio frequency (RF) magnetron sputtering technique. After deposition, the thin films were subjected to a post-deposition air heat treatment at 400°C for 1 hour to improve their structural, morphological and optical properties. Effect of the substrate on the structural, morphological and optical properties was investigated by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and UV–visible spectrophotometry. XRD studies show that all ZnO thin films exhibit a strong, singular preferential orientation only in the (002) plane, indicating a highly ordered hexagonal würtzite crystal structure with c-axis perpendicular to the substrate. The XRD results also show that films deposited on quartz substrate exhibit better crystallinity compared to those deposited on glass substrate. From the analyses made on AFM images, it was revealed that the morphology and surface roughness of the thin films were influenced by the substrate. The UV– visible spectroscopy analyses show that all ZnO thin films were transparent in the visible region with an average transmittance of 85.8 % for the film deposited on quartz substrate and 82.8 for the film deposited on glass substrate. The results revealed that the direct optical band gap is also influenced by the nature of the substrate

تم ترسيب أغشية رقيقة من أكسيد الزنك (ZnO) على ركائز من زجاج البوروسيليكات والكوارتز غير المتبلور عند درجة حرارة الغرفة باستخدام تقنية الترسيب بالرش الكاتودي بترددات الراديو (RF). بعد الترسيب، خضعت الأغشية الرقيقة لمعالجة حرارية هوائية عند 400 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة لتحسين خصائصها البنيوية والمورفولوجية والبصرية. دُرست تأثيرات الركيزة على هذه الخصائص باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) ومجهر القوة الذرية (AFM) ومطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية UV-visible. أظهرت دراسات حيود الأشعة السينية أن جميع أغشية ZnO الرقيقة تُظهر توجهاً تفضيلياً قوياً ومفرداً في المستوى (002) فقط، مما يشير إلى بنية بلورية سداسية وورتزيت عالية التنظيم وفق المحور c العمودي على الركيزة. كما أظهرت نتائج حيود الأشعة السينية أن الأغشية المُرسبة على ركيزة الكوارتز تتميز ببلورية أفضل مقارنةً بتلك المُرسبة على ركيزة الزجاج. أظهرت تحليلات صور المجهر الذري الماسح (AFM) أن مورفولوجيا وخشونة سطح الأغشية الرقيقة تتأثر بطبيعة الركيزة. كما أظهرت تحليلات مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية أن جميع أغشية أكسيد الزنك الرقيقة شفافة في نطاق الضوء المرئي، بمتوسط نفاذية 85.8% للغشاء المُرسب على ركيزة الكوارتز، و82.8% للغشاء المُرسب على ركيزة الزجاج. وكشفت النتائج أن فجوة النطاق البصري المباشر تتأثر أيضًا بنوعية الركيزة.