Анализ тонкой пленки оксида кобальта Co3O4, полученной методом центрифугирования

ФЕВ162016

Оксид кобальта (Co₃O₄) является важным полупроводником p-типа с оптической шириной запрещённой энергетической зоны 1.48 и 2.19 эВ. Помимо этого данное вещество используется в газовых сенсорах, в солнечных батареях, аккумуляторах, керамических пигментах, а так же в качестве катализатора очистки в химической технологии. Co₃O₄ имеет структуру нормальной шпинели типа AB₂O₄, где ионы Co²⁺ занимают тетраэдрические 8а-узлы, а ионы Co³⁺ занимают октаэдрические 16d-узлы.

Во многих отраслях оксид кобальта используется в виде тонкой нано-пленки. Одним из эффективных и недорогих способов получения такой пленки является метод золь-гель центрифугирования. Для того, чтобы оценить его продуктивность, необходимо синтезировать нано-пленку Co₃O_4, проанализировав ее структуру, морфологию и оптоэлектронные свойства. Приготовление нано-пленки методом золь-гель центрифугирования представлено на схеме.

В ходе данного процесса на конечную толщину пленки, прежде всего, влияет температура прокалки осадка на воздухе, ввиду чего было приготовлено 4 пленки при температурах прокалки 400 °С, 500 °С, 600 °С, 700 °С. С увеличением температуры прокалки толщина пленки уменьшается на 6-11% _отн.

Анализ пленки оксида кобальта

Из дифрактограмм, полученных методом рентгено-фазового анализа, видно, что для пленок с температурами прокаливания 400 - 600 °С характерны слабые пики с низкой степенью кристаллизации. Для пленок с температурой прокаливания более 600 °С наоборот характерны острые пики с максимальным содержанием фаз оксида кобальта.

Данные структурного анализа позволяют подсчитать размер кристаллита, который увеличивается с повышением температуры прокалки. Это явлением объясняется тем, что у наночастиц оксида кобальта присутствует большое количество свободных связей, возникающих из-за дефектов поверхности кристалла. Благодаря этим дефектам при увеличении температуры прокалки происходит слияние частиц с образованием крупных зерен Co₃O₄.

Эти данные подтверждаются результатами электронной микроскопии. На снимках видно, что с повышением времени прокалки осадка, размеры зерен оксида кобальта увеличиваются. Помимо этого структура пленок получилась довольно гладкой, состоящей из мелких удлинённых частиц размером менее 80 нм в длину и 40-50 нм в диаметре. Такая морфология тонких нано-пленок оксида кобальта обеспечивает большую удельную поверхность, что является важным фактором при использовании данного материала в качестве суперпроводника или в газовых сенсорах.

Помимо структурных и морфологических характеристик, были получены оптоэлектронные свойства тонкой нано-пленки оксида кобальта при разных температурах прокалки. Удельная электропроводимость постоянного тока увеличилась с 10^-4 до 10^-2 (Ω · см)^-1. Концентрация переносчиков электронов и подвижность пленок Co₃O₄ с разными температурами прокалки составляли 2.4 – 4.5•10^-19 см^-3 и 5.2 – 7.0•10^-5 см²•V^-1 соответственно.

Исследования оптического поглощения показали низкую абсорбцию в видимой и ИК областях с шириной запрещенной зоны 2.58 эВ для образца, прокаленного при 400°С и 2.07 эВ для образца с температурой прокалки 700°С. Такое снижение обуславливается уменьшением дефектности структуры с увеличением температуры прокалки.

На основании проделанного анализа можно сделать вывод о том, что тонкие нано-пленки оксида кобальта, полученные методом центрифугирования на центрифуге spinNXG от компании APEX, при температурах прокалки осадка от 600°С, обладают хорошими структурными, морфологическими и оптоэлектронными свойствами.

Подробные характеристики системы нанесения покрытий методом центрифугирования серии spinNXG