Как объясняется цвет окисных пленок на металле от чего он зависит


Цвета побежалости металлов: температруры, таблицы, причины

Цвета побежалости – спектр цветов, образующихся на поверхности железных сплавов в результате появления окисной пленки. Они образуются при нагревании поверхностей из металла до определенных температур без участия воды. Цвета побежалости являются дефектом сварного соединения.

Происхождение

В природе цвета побежалости образуются на поверхности многих минералов, включая пирит и халькопирит. Из-за окисления они покрываются тонкой оксидной пленкой, преломляющий солнечный свет. В результате интерференции поверхности металла окрашивается в разные цвета. Яркость побежалости зависит от толщины оксидной пленки и длины волны. Наиболее яркие цвета побежалости образуются на медных минералах. Также цвет зависит от качественного состава металла. Если в элементе присутствует большое количество ионов металлов, то он окрашивается в синие цвета. При наличии хромофоров минералы становятся красными.

Также цвета побежалости могут образовывать в естественных условиях на поверхностях старых стекол или монет. Изменение окраса может быть обусловлено длительным контактом этих материалов с землей. Если на них присутствует жировая пленка, то они окрашиваются в радужный цвет. Побежалость скрывает настоящий цвет металла. Поэтому нельзя определять его истинный окрас на свежем изломе. Рекомендуется определять цвет при рассмотрении оксидной пленки.

Искусственно цвета побежалости образуются на поверхности металлических заготовок при сварке или закалке. Они появляются при нагревании металлов до критических температур без участия молекул воды или иных жидкостей. Во время нагревания происходит процесс образования оксидной пленки. Ее толщина составляет несколько молекул и уменьшается по мере нагрева. Это обусловлено явлением диффузии – процессом проникновения мельчайших частиц одного химического элемента в другой. В данном случае происходит взаимодействие атомов металла и кислорода. На углеродистых сталях пленки из оксидов возникают быстрее, чем на легированных.

Процедура покрытия стали и железа слоем оксидной пленки называется воронением. После проведения этой процедуры повышается коррозийная стойкость изделия. Обработанные детали не покрываются ржавчиной. Процедура воронения позволяет придать изделию окрас, даже если металлическая поверхность по условиям эксплуатации не подлежит покраске. Во время воронения заготовку протирают минеральным маслом и нагревают на железном листе. После выгорания масляной жидкости на заготовке появляются цвета побежалости. Для нужного окраса необходимо нагреть деталь до соответствующей температуры. Получившийся слой окисла является влагоустойчивым и не подвергается воздействию воздуха.

На скорость образования окисных пленок влияют следующие факторы:

  1. Структура поверхности: закаленные детали окисляются с большей скоростью.
  2. Загрязненность изделия: поверхности, покрытые маслом, при длительном нагреве обугливаются, что приводит к возникновению сажи. По этой причине образуется неровная и тонкая оксидная пленка.
  3. Наличие шероховатостей: если нагревается заготовка с шершавой поверхностью, то оксидная пленка получается плотной. Если перед процедурой термообработки отполировать деталь, то образуется тонкая пленка из оксидов.
  4. Оборудование для нагрева: если при термообработке применяются специальные нагревательные печи, способные поддерживать устойчивую температуру, то окисная пленка будет плотной. В бытовых условиях можно также использовать духовые шкафы, газовые горелки или металлургические печи (горны).

Тонкие оксидные пленки поглощают световые волны с меньшей длиной волны, но отражают – с большей. Цвет металлических деталей меняется в зависимости от температуры и плотности оксидной пленки. Чем толще оксидная пленка, тем светлее окраска. Синий или фиолетовый цвет получается, когда из спектра отражаются наиболее длинные волны. Если пленка из оксидов отражает волны с малой длиной волны, то металлическая поверхность становится желтой. Светлые цвета соответствуют высокой температуре нагрева, светлые – более низкой. По этой причине многие мастер часто определяют при помощи цветов побежалости степень закалки изделий, стальной стружки и режущих инструментов, применяемых во время проведения токарных работ.

Несмотря на эти факторы, при помощи цветов побежалости нельзя точно определить температуру металла, потому что на величину этого показателя оказывают влияние следующие факторы:

  • время нагрева: промежуток времени, в течение которого металлическая деталь нагревается до температуры окружающей среды при отсутствии теплоотдачи.
  • наличие различных примесей в составе металла;
  • особенности освещения в помещении, где проводилась сварка или закалка заготовок;
  • скорость разогревания: изменение температуры изделия в единицу времени при его нагревании.

В современной промышленности контроль температуры производится при помощи специальных приборов – пирометров. Они оснащены специальными датчиками, определяются степень нагрева заготовки при помощи лазера.

Цвета побежалости используются при изготовлении рабочих инструментов, лазерной маркировке и внешней обработке изделий из железа, меди, алюминия и латуни. Если требуется изготовить инструментарии с высокой плотностью (бритвенные лезвия, предметы для проведения хирургических операций, режущие кромки резцов и грабштихели), то побежалость должна быть яркого цвета: красного, оранжевого или желтого. До пурпурных и зеленых тонов нагревают инструменты, применяющихся в деревообрабатывающем секторе. Для достижения упругости при изготовлении пил, ножей, вил и пружин необходимо нагреть заготовки до появления синих или черных цветов.

В процессе нагревания металлическая заготовка становится гибкой, что позволяет мастеру придать ей необходимую форму. После данного процесса изделие закаляется при определенных температурах. Согласно рекомендациям специалистов, оптимальной температурой для закалки металлов является 700–800 °C. В этом случае изделие окрашивается в разные оттенки красного или розового цветов. При превышении этих значений на 300 °C заготовка становится оранжевой или желтой. При больших температурах происходит перекал, что негативно сказывается на прочности изделия.

Закалка улучшает следующие параметры металлической поверхности:

  1. Твердость: этот показатель является номинальным. Он прописан в шкале Роквелла и измеряется в HRC. Твердость определяет степень сопротивляемости металла к механическим повреждениям. На мягких изделиях при длительном соприкосновении с иными поверхностями остаются следы, что ухудшает их режущие свойства. Твердость ножей европейского образца составляет 60 HRC, азиатских – 70 HRC.
  2. Упругость: данный параметр определяет степень деформации металла при изгибах и ударах. Если сталь закалена, при изгибе на 10–30° она вернется в исходное положение. При перегреве снижается упругость поверхности, что приводит к поломке инструментов.
  3. Износостойкость: данный критерий показывает общую стойкость металла (сопротивление абразивному износу, стойкость к большим нагрузкам). При правильной закалке изделие сможет стабильно функционировать в течение более длительного срока.

После закалки заготовка приобретает высокую твердость. Для восстановления ее прочности необходимо провести процедуру отпуска, представляющую собой повторную термообработку детали. Металлическое изделие нагревается до более низких температур и охлаждается. Между закалкой и охлаждением также осуществляется полное остывание металлической поверхности при помощи его погружения в раствор соли или в масло. При выборе отпуска необходимо учитывать следующие особенности:

  1. Для изделий, подвергающимся деформациям или ударным нагрузкам, нужно использовать высокотемпературный отпуск: до 700 °C.
  2. Для легких клинков используется среднетемпературный отпуск: до 500 °C.
  3. Для обеспечения оптимальной твердости применяется низкотемпературный отпуск: до 250 °C. Но в этом случае изделие не сможет выдерживать высокие ударные нагрузки и будет легко деформироваться.

Температура цветов побежалости и каления

Во время отпуска возникают цвета каления. По ним можно определить, до какой температуры нагрелась заготовка. В отличие от побежалости, цвета каления меняются в процессе охлаждения металлической поверхности. Переход между цветами осуществляется в строгой последовательности, но с быстрой скоростью, поэтому мастер должен тщательно контролировать процесс термообработки.

Шкала цветов побежалости стали

Окрас углеродистых деталей при соответствующих температурах указан в следующей шкале цветов побежалости стали:

Температура цветов побежалости для углеродистых сталей
ОкрасПределы температур, °С
Лимонный220 – 229
Желтый (цвет соломы)230 – 245
Золотой246 – 255
Земляной или коричневый256 – 264
Алый или красно-оранжевый265 — 274
Пурпурный275 – 279
Аметистовый280 – 289
Небесный290 – 294
Твиттера295 – 299
Индиго Крайола300 – 309
Светло-голубой310 – 329
Аквамариновый320 — 339

 

На заготовках из нержавеющей стали12Х18Н10Т, содержащей 18% хрома, 10% никеля и 1% титана (значения определены в ГОСТ 5632-2014), цвета побежалости образуются при иных температурах. Это обусловлено тем, что данный материал коррозийно-стойкий и жаропрочный. Поэтому при закалке и охлаждении мельчайшие частицы металлов и кислорода взаимодействуют медленнее, что препятствует образования оксидной пленки во время закалки и каления.

В следующей таблице цветов побежалости представлены особенности изменения цвета изделий из нержавеющей стали:

Температура цветов побежалости для нержавеющих сталей
ОкрасПределы температур,°С
Светло-соломенный300 – 399
Золотистый400 – 499
Земляной или коричневый500 – 599
Красный или пурпурный600 – 699
Синий или черный700 – 779

 

На поверхностях заготовок из нержавеющей стали могут появиться радужные полосы. Они могут появиться при нагревании изделия до температуры кипения (100 °С). Появление радужных следов обусловлено изменениями в кристаллической решетке металла. Радужный окрас на поверхности обрабатываемой заготовки не свидетельствуют о перегреве нержавеющей стали.

МЕТОДОВ ТЕПЛООБРАБОТКИ СТАЛИ -

Закалка - это термическая обработка, при которой металл при высокой температуре быстро охлаждается путем погружения в воду или масло. Закалка делает сталь более твердой и хрупкой, с мелкозернистой структурой.

Закалка - это термическая обработка стали и некоторых сплавов. Закаленная сталь после закалки от высокой температуры слишком твердая и хрупкая для многих применений, а также является хрупкой. Отпуск, то есть повторный нагрев до промежуточной температуры и медленное охлаждение, снижает эту твердость и хрупкость.Температура отпуска зависит от состава стали, но часто составляет от 100 до 650 C. Более высокие температуры обычно дают более мягкий и прочный продукт. Цвет оксидной пленки, образующейся на поверхности нагретого металла, часто служит индикатором его температуры.

Отжиг - это термическая обработка, при которой материал при высокой температуре медленно охлаждается. После охлаждения металл снова становится ковким и пластичным (может многократно сгибаться без образования трещин).

Все эти методы термической обработки стали используются для получения сталей с определенными механическими свойствами для определенных нужд.

Словарь:

для погружения

применить

средний

оксидная пленка

отжиг,

растрескивание

Общее понимание:

1. Что можно сделать, чтобы получить более твердую сталь?

2.Что делает сталь более мягкой и прочной?

3. Что делает сталь более ковкой и пластичной?

4. Что может служить индикатором температуры металла при его нагреве?

5. В каком температурном диапазоне используется отпуск?

6. Для чего используются методы термической обработки стали?

Упражнение 1.6. Перевести на английский следующие слова и словосочетания:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

ИЗВЕСТНЫЕ ЛЮДИ НАУКИ

Менделеев Дмитрий Иванович

Дмитрий Иванович Менделеев - известный русский химик. Он наиболее известен своими разработками периодической таблицы свойств химических элементов. В этой таблице показано, что свойства элементов периодически меняются, если они расположены в соответствии с атомным весом.

Менделеев родился в 1834 году в Тобольске, Сибирь. Он изучал химию в Петербургском университете, а в 1859 году был направлен учиться в Гейдельбергский университет. Менделеев вернулся в Санкт-Петербург и стал профессором химии в Техническом институте в 1863 году. Он стал профессором общей химии в Санкт-Петербургском университете в 1866 году. Менделеев был известным учителем, и, поскольку не было хорошего учебника по химии в то время он написал двухтомные «Основы химии», которые стали классическим учебником по химии.

В этой книге Менделеев попытался классифицировать элементы по их химическим свойствам. В 1869 году он опубликовал свою первую версию своей периодической таблицы элементов. В 1871 году он опубликовал улучшенную версию таблицы Менделеева, в которой он оставил пробелы для элементов, которые в то время не были известны. Его таблица и теории были подтверждены позже, когда были открыты три предсказанных элемента: галлий, германий и скандий.



Менделеев исследовал химическую теорию раствора.Он обнаружил, что наилучшее соотношение спирта и воды в водке составляет 40%. Он также исследовал тепловое расширение жидкостей и природу нефти.

В 1893 году он стал директором Бюро мер и весов в Санкт-Петербурге и занимал эту должность до своей смерти в 1907 году.

БЛОК 2

.

Влияние кислорода на пленки оксида цинка, полученные методом ионно-лучевого напыления

В данном исследовании пленки оксида цинка были нанесены методом ионно-лучевого напыления при различных парциальных давлениях кислорода при комнатной температуре. Пленки меняли структуру с аморфной на поликристаллическую с увеличением парциального давления кислорода (). Оптимальный был найден на Торр, потому что пленка, полученная при парциальном давлении кислорода, имела самое низкое удельное сопротивление и самую высокую прозрачность в видимой области света.Самое низкое сопротивление возникает из-за большого количества мест кислородных вакансий, образовавшихся на поликристаллической поверхности под воздействием атмосферы. Более того, пленка имеет наивысшую интенсивность пика XRD, наименьший пик дифракции на полувысоте, наименьший интервал и наименьшее двухосное напряжение.

1. Введение

ZnO имеет гексагональную структуру вюрцита с широкой прямой запрещенной зоной около 3,4 эВ. Естественно, это полупроводник n-типа из-за его отклонения от стехиометрии в виде кислородных вакансий или междоузлий цинка [1].Создание оптимальной пленки ZnO для разработки оптоэлектронных устройств важно из-за ее высокой прозрачности в видимой области света и низкого удельного сопротивления [2]. В предыдущих исследованиях пленок оксидов металлов Ti, Zr, Si и Al, полученных методом ионно-лучевого напыления (IBSD) [3], парциальное давление кислорода () может влиять на скорость их осаждения, оптические свойства и морфологию поверхности. При осаждении при каждом оптимальном варианте пленки оксида металла имеют более высокую прозрачность, более высокие показатели преломления, более низкие коэффициенты экстинкции и более низкую шероховатость поверхности.Все они представляют собой аморфные структуры и непроводящие пленки [4]. В этом исследовании также была найдена оптимальная металлическая мишень для цинка. Однако осажденная пленка оксида цинка имеет поликристаллическую структуру и обладает проводящими свойствами за счет свободных электронных носителей, что вызывает оптический сдвиг запрещенной зоны за счет эффекта Бурштейна-Мосса (BM) [5] и сужения запрещенной зоны (BGN). эффект [6]. Эффект BM - это явление синего сдвига края зоны, где уровень Ферми сливается с зоной проводимости с увеличением концентрации носителей.Тем не менее, эффект BGN представляет собой явление красного смещения края зоны, потому что электрон-электронное отталкивающее взаимодействие и локализация электронной волновой функции ослабляются за счет экранирования потенциала при высокой концентрации носителей [7]. По-видимому, на сдвиг запрещенной зоны влияет комбинация эффектов BM и BGN по мере увеличения концентрации носителей. Sakai et al. также исследовали, что концентрация носителей сильно влияет на оптическую ширину запрещенной зоны, возникающую из-за кислородных вакансий, контролируемых скоростью потока кислорода во время роста поликристаллической пленки ZnO с помощью реактивного плазменного осаждения [7].В этом исследовании оптические запрещенные зоны и структуры ZnO определялись путем управления различными парциальными давлениями кислорода во время IBSD при комнатной температуре.

В нашем предыдущем исследовании IBSD адсорбатные, водные и гидроксильные () группы образуются на поверхности осажденных пленок ZnO при воздействии атмосферы. Влияние адсорбата на оптические свойства было проиллюстрировано [8]. Кроме того, в этом исследовании были исследованы электрические свойства, на которые влияет адсорбат.

2. Эксперимент

На рисунке 1 показан схематический чертеж системы ионно-лучевого распыления для данного исследования. Система с источником ионов типа Кауфмана производства Veeco Inc. была оборудована молибденовой решеткой диаметром 3 см. Мишень, установленная на водоохлаждаемом медном блоке, представляла собой пластину из чистого металлического цинка (99,99%) размером 12 × 10 × 1 см. Кремниевую подложку для измерения XRD и стекло B270 диаметром один дюйм для оптических измерений очищали этанолом в ультразвуковой ванне и сушили обдувом сухим газообразным азотом, а затем устанавливали на вращающийся держатель.Перед осаждением камеру откачивали до базового давления 5 · 10 -6 Торр крионасосом. В качестве рабочего газа в источник ионов подавали аргоновый газ с расходом ~ 10 см3 / мин. Напряжение ионного пучка и ток ионного пучка поддерживались на уровне 1000 В и 20 мА соответственно. Угол падения между ионным пучком и нормалью к поверхности цинковой мишени составлял 45 °. Мишень предварительно распылялась пучком ионов Ar в течение получаса для очистки поверхности в металлическом режиме перед каждым напылением. Затем газообразный кислород подавали в камеру с помощью массового расходомера во время осаждения, где меняли с 2 · 10 -5 на 2 · 10 -4 Торр.Образец после осаждения был помечен ZnO-, поскольку образец был приготовлен при Торре. Общее давление регулировали на уровне примерно 3 × 10 -4 торр путем подачи газообразного аргона в источник ионов во время осаждения.


Полный спектр пропускания () подложки был измерен спектрометром Varian Cary-5E перед установкой. Стеклянная подложка B270 имеет две поверхности. Каждая поверхность имеет одинаковый коэффициент пропускания (). Падающий свет с левой стороны подложки многократно отражается между двумя поверхностями, схематически показанными на рисунке 2.Тогда коэффициент пропускания, сумма некогерентного излучения на правой стороне подложки, может быть вычислен ниже [9]: где - отражение одиночной поверхности и равно () из-за ее свободного поглощения. Тогда можно представить как


Если осажденный ZnO является материалом с низким оптическим поглощением в видимой области, коэффициент пропускания пленки, нанесенной на одну из поверхностей подложки, составляет; тогда В (3) - коэффициент пропускания, измеренный спектрометром Cary 5E после осаждения, а также сумма некогерентного излучения на правой стороне подложки, включая многократно отраженный свет, схематически показанный на рисунке 2.Аналогичным образом его можно вывести из (1). Минусовые значения в (3) уменьшают интерференцию излучения от другой непокрытой поверхности подложки. Измерение коэффициентов пропускания и расчет коэффициентов пропускания по указанным выше трем формулам позволяет определить оптическое поглощение (

.

Тенденции состояния окисления в группе 4

ТЕНДЕНЦИИ СОСТОЯНИЯ ОКИСЛЕНИЯ В ГРУППЕ 4

 

На этой странице исследуются степени окисления (степени окисления) элементов 4-й группы - углерод (C), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn) и свинец (Pb). Он рассматривает возрастающую тенденцию элементов образовывать соединения со степенью окисления +2, особенно в отношении олова и свинца.


Примечание: Если вас не устраивают процессы окисления и восстановления (включая использование степеней окисления), обязательно перейдите по этой ссылке, прежде чем идти дальше.

Используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы быстро вернуться на эту страницу.



Некоторые примеры тенденций в степенях окисления

Общая тенденция

Типичная степень окисления, показанная элементами в группе 4, составляет +4, обнаруживается в таких соединениях, как CCl 4 , SiCl 4 и SnO 2 .


Предупреждение: Не попадайтесь в ловушку, цитируя CH 4 в качестве примера углерода с типичной степенью окисления +4.Поскольку углерод более электроотрицателен, чем водород, его степень окисления в данном случае составляет -4!


Однако по мере того, как вы спускаетесь по Группе, появляется все больше и больше примеров, где степень окисления +2, таких как SnCl 2 , PbO и Pb 2+ .

В случае олова состояние +4 по-прежнему более стабильно, чем состояние +2, но к тому времени, когда вы становитесь лидером, состояние +2 становится более стабильным и доминирует в химическом составе свинца.

 

Пример из химии углерода

Единственный распространенный пример степени окисления +2 в химии углерода встречается в монооксиде углерода, CO.Окись углерода является сильным восстановителем, потому что она легко окисляется до двуокиси углерода, где степень окисления более термодинамически стабильна +4.

Например, окись углерода восстанавливает многие оксиды горячего металла до металла - реакция, которая используется, например, при извлечении железа в доменной печи.

 

Примеры из химии олова

К тому времени, как вы перейдете в группу до олова, состояние +2 становится все более распространенным, и существует хороший диапазон соединений олова (II) и олова (IV).Однако олово (IV) по-прежнему является более стабильной степенью окисления олова.

Это означает, что превратить соединения олова (II) в соединения олова (IV) будет довольно просто. Лучше всего это проявляется в том, что ионы Sn 2+ в растворе являются хорошими восстановителями.

Например, раствор, содержащий ионы олова (II) (например, раствор хлорида олова (II)), восстанавливает раствор йода до иодид-ионов. При этом ионы олова (II) окисляются до ионов олова (IV).


Примечание: Для простоты я пишу это уравнение (и несколько следующих) так, как если бы продукт содержал простые ионы олова (IV).На самом деле простых ионов олова (IV) в растворе не существует. В этих примерах они обычно будут частью гораздо более крупного комплексного иона. Не беспокойтесь об этом на этом уровне.


Ионы олова (II) также восстанавливают ионы железа (III) до ионов железа (II). Например, раствор хлорида олова (II) восстанавливает раствор хлорида железа (III) до раствора хлорида железа (II). При этом ионы олова (II) окисляются до более стабильных ионов олова (IV).

 

Ионы олова (II) также, конечно, легко окисляются мощными окислителями, такими как подкисленный раствор манганата (VII) калия (раствор перманганата калия).Эту реакцию можно использовать как титрование для определения концентрации ионов олова (II) в растворе.


Примечание: Если вас не устраивают расчеты титрования (в том числе с использованием манганата калия (VII)), возможно, вас заинтересует моя книга расчетов по химии.


И как последний пример. . .

В органической химии олово и концентрированная соляная кислота традиционно используются для восстановления нитробензола до фениламина (анилина).В этой реакции олово сначала окисляется до ионов олова (II), а затем до предпочтительных ионов олова (IV).


Примечание: Эта реакция подробно описана в разделе органической химии сайта на странице, посвященной получению фениламина.

Используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы вернуться на эту страницу, если вы решите перейти по этой ссылке.



Примеры из химии свинца

Со свинцом ситуация обратная.На этот раз степень окисления свинца (II) более стабильна, и существует сильная тенденция для соединений свинца (IV) реагировать с образованием соединений свинца (II).

Хлорид свинца (IV), например, разлагается при комнатной температуре с образованием хлорида свинца (II) и газообразного хлора:

. . . и оксид свинца (IV) разлагается при нагревании с образованием оксида свинца (II) и кислорода.

Оксид свинца (IV) также реагирует с концентрированной соляной кислотой, окисляя некоторые хлорид-ионы в кислоте до газообразного хлора.Опять же, отрыв снижается с +4 до более стабильного состояния +2.

 

Попытка объяснить тенденции в степенях окисления

Нет ничего удивительного в нормальной степени окисления группы +4.

Все элементы в группе имеют внешнюю электронную структуру ns 2 np x 1 np y 1 , где n изменяется от 2 (для углерода) до 6 (для свинца). В степени окисления +4 все эти внешние электроны непосредственно участвуют в связывании.

По мере того, как вы приближаетесь к нижней части группы, наблюдается возрастающая тенденция к тому, чтобы пара s 2 не использовалась при склеивании. Это часто известно как эффект инертной пары - и является доминирующим в химии свинца.

Однако простое название «эффект инертной пары» ничего не объясняет. Вам нужно посмотреть на два разных объяснения в зависимости от того, говорите ли вы об образовании ионных или ковалентных связей.


Примечание: Весьма вероятно, что то, что следует ниже, намного превышает то, что вам нужно для целей UK A level (или его эквивалента) - , и предназначено в основном для интереса. Чтобы быть уверенным, обратитесь к своей программе и, что более важно, к прошлым экзаменационным работам и схемам оценок. Если вы готовитесь к экзамену в Великобритании и еще не сдали его, перейдите по этой ссылке на страницу учебных программ, чтобы узнать, как их получить.


Эффект инертной пары при образовании ионных связей

Если элементы в группе 4 образуют ионы 2+, они теряют p-электроны, оставляя пару s 2 неиспользованной.Например, чтобы сформировать ион свинца (II), свинец потеряет два 6p-электрона, но 6s-электроны останутся неизменными - «инертная пара».

Обычно вы ожидаете, что энергия ионизации будет падать по мере того, как вы спускаетесь по группе, когда электроны удаляются от ядра. В группе 4 этого не происходит.

На этой первой диаграмме показано, как общая энергия ионизации, необходимая для образования ионов 2+, изменяется по мере продвижения вниз по группе. Все значения указаны в кДж / моль -1 .

Обратите внимание на небольшое увеличение между оловом и свинцом.

Это означает, что удалить p-электроны из свинца немного сложнее, чем из олова.

Однако, если вы посмотрите на картину потери всех четырех электронов, расхождение между оловом и свинцом будет гораздо более заметным. Относительно большое увеличение между оловом и свинцом должно быть связано с тем, что пару 6s 2 значительно труднее удалить из свинца, чем соответствующую пару 5s 2 из олова.

Опять же, все значения указаны в кДж / моль -1 , и две диаграммы имеют примерно одинаковый масштаб.

Причины всего этого лежат в теории относительности. С более тяжелыми элементами, такими как свинец, происходит так называемое релятивистское сжатие электронов, которое имеет тенденцию притягивать электроны к ядру ближе, чем вы могли бы ожидать. Поскольку они расположены ближе к ядру, их труднее удалить. Чем тяжелее элемент, тем сильнее этот эффект.

Это влияет на s-электроны гораздо больше, чем на p-электроны.

В случае свинца релятивистское сжатие делает удаление 6s-электронов энергетически более трудным, чем вы могли ожидать.Термины, выделяющие энергию при образовании ионов (например, энтальпия решетки или энтальпия гидратации), очевидно, недостаточны для компенсации этой дополнительной энергии. Это означает, что образование ионов 4+ в свинце не имеет энергетического смысла.


Примечание: Если вы хотите узнать больше о релятивистском сжатии, попробуйте поискать в Google электронов релятивистского сжатия - но ожидайте, что вам придется заняться тяжелым чтением!


Эффект инертной пары в образовании ковалентных связей

Вы должны подумать, почему углерод обычно образует четыре ковалентные связи, а не две.

Внешняя электронная структура углерода в обозначении электронов в ящиках выглядит так:

Есть только два неспаренных электрона. Однако, прежде чем углерод образует связи, он обычно продвигает один из s-электронов на пустую p-орбиталь.

Остается 4 неспаренных электрона, которые (после гибридизации) могут образовывать 4 ковалентные связи.

Стоит предоставить энергию для продвижения s-электрона, потому что тогда углерод может образовывать в два раза больше ковалентных связей.Каждая образующаяся ковалентная связь высвобождает энергию, и этого более чем достаточно для обеспечения энергией, необходимой для продвижения по службе.

Одно из возможных объяснений нежелания свинца делать то же самое заключается в падении энергии облигаций по мере того, как вы спускаетесь по Группе. Энергия связи имеет тенденцию падать по мере того, как атомы становятся больше, а связующая пара удаляется от двух ядер и лучше экранируется от них.

Например, энергии, высвобождаемой при образовании двух дополнительных связей Pb-X (где X представляет собой H или Cl или что-то еще), может больше не хватить для компенсации дополнительной энергии, необходимой для продвижения электрона 6s на пустую орбиталь 6p.

Конечно, это было бы еще хуже, если бы энергетический зазор между 6s и 6p-орбиталями был увеличен за счет релятивистского сжатия 6s-орбитали.

 
 

Куда бы вы сейчас хотели пойти?

В меню группы 4. . .

В меню «Неорганическая химия». . .

В главное меню. . .

 

© Джим Кларк 2004 (изменено в марте 2015 г.)

.

Прозрачные проводящие тонкие пленки на основе ZnO: легирование, характеристики и обработка

Прозрачные проводящие тонкие пленки на основе ZnO привлекли большое внимание как многообещающий материал-заменитель тонких пленок из оксида индия-олова, используемых в настоящее время в приложениях для прозрачных электродов. Однако детальная функция легирующих примесей, воздействующих на электрические и оптические свойства прозрачных проводящих тонких пленок на основе ZnO, еще не ясна, что ограничивает разработку и практическое применение прозрачных проводящих тонких пленок ZnO.Условия выращивания, такие как тип подложки, температура роста и окружающая атмосфера, играют важную роль в структурных, электрических и оптических свойствах пленок. В данной статье дан обзор свойств тонких пленок ZnO и дан обзор последних работ по новым, эффективным, низкотемпературным и высокоскоростным технологиям осаждения. Кроме того, мы выделили методы производства прозрачной проводящей пленки на основе ZnO на гибкой подложке - одно из наиболее перспективных и быстро развивающихся направлений исследований.Поскольку условия оптимальных параметров обработки достигаются и механизм их влияния становится ясным, мы видим, что у прозрачных проводящих пленок на основе ZnO будет многообещающее будущее.

1. Введение

Прозрачные проводящие оксиды (TCO), способные переносить электрический заряд и передавать видимые фотоны, необходимы для использования в качестве прозрачных электродов в плоских дисплеях, таких как жидкокристаллические дисплеи (ЖКД), плазменные дисплеи, электронная бумага дисплеи, светодиоды (LED) [1] и сенсорные панели [2, 3].Концентрация носителей порядка 10 20 см −3 или выше и энергия запрещенной зоны выше 3 эВ обычно требуются для высокой проводимости и пропускания [4]. Различные тонкие пленки TCO, состоящие из легированного примесью SnO 2 (SnO 2 : Sb и SnO 2 : F), In 2 O 3 (In 2 O 3 : Sn или ITO) и пленки ZnO (ZnO: Al и ZnO: Ga) исследовались в этой области к настоящему времени [5, 6]. Среди них оксид индия, легированный оловом (ITO), наиболее широко используется на практике [7, 8].Однако с расширением рынка ITO стабильное предложение может оказаться трудным из-за высокой стоимости и дефицита индия [9, 10].

К счастью, тонкие пленки ZnO являются многообещающей альтернативой широко используемому ITO, которые являются недорогими, нетоксичными, обладают высокой стойкостью к водородной плазме по сравнению с ITO [11]. Кроме того, он имеет более подходящую работу выхода для прозрачных контактных катодных электродов прозрачных OLED [12]. Тем не менее, многие проблемы, связанные с заменой пленок TCO на основе ZnO на ITO, все еще существуют.Рисунок 1 визуально описывает структурные, оптические и электрические свойства оксида цинка. В ЖК-приложениях стабильность в различных условиях должна повышаться, когда пленки становятся тоньше. [13]. В применениях OLED необходимо оптимизировать технологию изготовления низкотемпературных и неповрежденных плазмой пленок на гибкой подложке.


При разработке и реализации устройств на основе ZnO одной из наиболее важных проблем является легирование, которое обязательно включает сильное легирование трехвалентными элементами из группы III (Al, Ga, In).Минами подвел итоги удельного сопротивления пленок TCO, легированных примесью, за последние тридцать лет и обнаружил, что полученное минимальное сопротивление пленок ZnO, легированных примесью, все еще уменьшается, в то время как пленки SnO 2 и In 2 O 3 имеют практически не изменилась [4]. Такая тенденция свидетельствует о возможном значительном продвижении пленок TCO на основе ZnO.

Пленки ZnO были получены различными методами [14, 15], и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.В этой статье подробно описаны распыление, химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и импульсное лазерное осаждение (PLD), поскольку пленки TCO на основе ZnO, основанные на этих методах, могут получить самое высокое качество. Первые два метода, позволяющие осаждение большой площади, делают их наиболее продвинутыми и эффективными методами осаждения пленки ZnO. Даже если пленки изготовлены одним и тем же методом, толщина, подложка, температура роста, примеси и их содержание будут играть решающую роль в структурных, электрических и оптических свойствах пленок.Таким образом, от того, сможем ли мы оптимизировать производство высококачественных тонких пленок из легированного оксида цинка при низких затратах, зависит будущее пленок TCO на основе ZnO. Обобщены структурные, оптические и электрические свойства легированного ZnO ​​с особым акцентом на влияние легирования на свойства тонких пленок ZnO, которые отвечают за свойства пленок. Кроме того, представлены последние достижения в области подготовки фильмов.

2. Различные легирующие элементы

Некоторые элементы легированы в пленках ZnO, такие как B [16, 17], Al, Ga, In (из элементов III группы) [18], F (из элементов VII группы) [19 ], и так далее.Среди них наиболее изученными являются ZnO, легированный Al и ZnO, легированный Ga. В разделе 2 мы сосредоточимся на недавних исследованиях легирования Al, Ga и совместного легирования. Положение атомов примеси и предел растворимости могут быть связаны с методами приготовления пленки. Например, в методе распылительного пиролиза In и Ga более эффективны, чем Al, поскольку атомы Al предпочтительно находятся в междоузлиях решетки ZnO и уменьшают подвижность [20].

Некоторые опубликованные электрические и оптические свойства пленок ZnO с различными легирующими добавками, полученные с помощью PLD, приведены в таблице 1.Каждая легирующая добавка имела соответствующее содержание, и все пленки были изготовлены в условиях оптимальных параметров обработки для достижения более низкого удельного сопротивления и более высокого пропускания.


Примеси Оптимальное содержание в мишени (%) Толщина (нм) Удельное сопротивление (Ом · см) Пропускание (%) Ссылка

Al 2 500 4.5 × 10 −4 88% [35]
Ga 5 200 8,12 × 10 −4 > 90% [22]
В 40 > 1000 4,02 × 10 −4 > 85% [36]
F 2 200 4,83 × 10 −4 > 90% [25]
Si 2 ~ 150 6.2 × 10 −4 ~ 80% [37]

2.1. Легирование элементами группы III

Ионный радиус Al 3+ составляет 0,54 Å, что меньше, чем у Zn 2+ (0,74 Å). Таким образом, Al 3+ может легко занять место Zn 2+ в решетке, что приведет к уменьшению параметра решетки. По сравнению с Al 3+ , Ga 3+ имеет ионный радиус, близкий к ионам Zn 2+ , что минимизирует деформации решетки ZnO даже при более высоких концентрациях легирования [18, 21].Это может объяснить причину, по которой наилучшие электрические свойства пленок на основе ZnO наблюдаются в тонких пленках ZnO, легированных Ga [22].

В проводящих свойствах тонких пленок ZnO преобладают электроны, генерируемые кислородными вакансиями и донорством заряда. Гэн и его коллеги [23] исследовали влияние концентрации Al на электрические свойства тонких пленок ZnO: Al, выращенных на подложке Si (100) путем осаждения атомных слоев. Кристалличность пленки вырождается, а удельное сопротивление уменьшается с увеличением концентрации легирования Al (9.36 × 10 −4 Ом · см при максимальной концентрации легирования 2,7 ат.%).

Al вводится за пределами термодинамического предела растворимости, даже в пределах этого предела зависимость между содержанием Al и удельным сопротивлением не является монотонной [24]. Удельное сопротивление пленки AZO уменьшалось с увеличением содержания Al до 7 ат.%, А затем увеличивалось при высоком содержании Al 8 ат.% (Рисунок 2). При высокой концентрации Al он существует в форме Al 2 O 3 , что приводит к отрицательным эффектам на электрические свойства пленок.Согласно многим другим сообщениям, соотношение между характеристиками проводимости и концентрацией других элементов легирования аналогично легированию Al.


Фтор - еще одна присадка для улучшения проводимости пленок [19]. В отличие от алюминия и других элементов III группы, влияние фтора на ZnO обсуждается меньше. Фтор встраивается в решетку, замещая атомы кислорода из-за сопоставимости ионного радиуса (F-: 1,17 Å, O 2-: 1.22 Å). На самом деле пленки ZnO: F обладают хорошими комбинационными свойствами. Cao et al. [25] получали пленки FZO с помощью импульсного лазерного осаждения, получая удельное сопротивление 4,8 × 10 –4 Ом · см, концентрацию носителей 5,43 × 10 20 см –3 и холловскую подвижность 23,8 см 2 . V −1 s −1 соответственно. Среднее оптическое пропускание во всем видимом диапазоне длин волн превышало 90%.

2.2. Codoping

Разница радиусов между легирующими ионами и ионами Zn 2+ или O 2− приведет к изменению постоянной решетки и вырождению кристалличности в оксиде цинка.Частично эту проблему можно решить с помощью кодопирования, что привело к активному исследованию в последние годы [26–28]. Высокое качество пленок, нанесенных Shin et al. подтвердил преимущества кодопирования [29]. При увеличении концентрации Ga от 0,5 до 2 ат.% Пиковая интенсивность плоскости (0002) и концентрация носителей для тонких пленок ZnO, легированных Mg и Ga (MGZO), увеличиваются по сравнению с таковыми для тонких пленок из чистого ZnO ​​и ZnO, легированного Mg, поскольку 3 [29], подразумевая замену ионов Ga 3+ ионами Zn 2+ (ионный радиус Ga 3+ , Mg 2+ и Zn 2+ равен 0.062 нм, 0,057 нм и 0,060 нм соответственно). Более того, этим методом была значительно стабилизирована структура МГЗО. Низкое электрическое сопротивление и широкая запрещенная зона тонких пленок MGZO могут быть приписаны легирующей примеси Ga и Mg соответственно.

3. Концентрация допинга
3.1. Зависимая от концентрации проводимость

Оксид цинка, как прозрачный оксид с энергией запрещенной зоны 3,37 эВ [30], может удовлетворять требованиям оптических свойств TCO без легирования. Однако концентрация носителей собственного ZnO ​​составляет примерно 10 6 см −3 при комнатной температуре [31], что намного ниже, чем у пленок TCO для практического применения.В общем, введение легирующих добавок приводит к увеличению концентрации носителей, т. Е. где - концентрация проводящих электронов, - концентрация дырок, - собственная концентрация носителей заряда в ZnO. Допирование напрямую влияет на концентрацию носителей и, в свою очередь, на проводимость. Хотя внесенные примеси необходимы, но лучше не больше. Его концентрация должна иметь ограничение; в противном случае очень высокие уровни легирования приведут к высокому поглощению свободных носителей заряда, высокой отражательной способности плазменного резонанса и низкой прозрачности для видимой длины волны (рис. 2).Несмотря на то, что кажется трудным улучшить электрическую проводимость при сохранении оптической передачи, есть потенциал для достижения как за счет улучшения микроструктуры пленок, так и за счет увеличения подвижности носителей. Очевидно, что важно разобрать влияние намеренно введенных примесей на электрические свойства ZnO для реализации любого типа приложений устройства.

3.2. Зависимый от концентрации сдвиг оптической щели

Сдвиг оптической щели обусловлен двумя конкурирующими эффектами: эффектом заполнения полосы Бурштейна-Мосса (B-M) и эффектом сужения запрещенной зоны (BGN) (Рисунок 4).Хорошо известный синий сдвиг оптической запрещенной зоны () [32, 33] в сильно легированных полупроводниках возникает из-за блокирования нижних состояний в зоне проводимости. И наоборот, сужение запрещенной зоны вызывается обменными взаимодействиями в газе свободных электронов и электростатическими взаимодействиями между свободными электронами и ионизированными примесями. Тот факт, что эффект BGN в значительной степени компенсируется эффектом B-M, а температура или легирование являются двумя влияющими факторами в поведении, затрудняет разделение этих двух эффектов с помощью текущих экспериментов.


Lu и соавторы [34] обнаружили, что при оценке по спектрам оптического поглощения, это в основном связано с концентрациями носителей и, таким образом, присуще содержанию Al. Оптическая щель увеличивалась с концентрацией электронов при см −3 , что можно полностью интерпретировать с помощью модифицированного эффекта Бурштейна-Мосса; Внезапное уменьшение энергетической щели произошло при 5,4–8,4 × 10 19 см –3 , что соответствует критерию Мотта для SMT. Выше критических значений ширина запрещенной зоны снова увеличилась (см. Рисунок 5).Дальнейшие исследования в этом вопросе необходимы для продвижения разработки энергетических диапазонов в пленках TCO на основе ZnO.


4. Влияние условий роста
4.1. Методы подготовки

Среди различных методов подготовки импульсное лазерное осаждение (PLD) более подходит для точного контроля морфологии и состава выращенных материалов. Park et al. и Agura et al. [22, 39] получали тонкие пленки AZO и GZO на стеклянных подложках с низким удельным сопротивлением порядка 10 −5 Ом · см с помощью ИЛО соответственно.Удельное сопротивление порядка 10 −5 Ом · см является лучшим результатом для пленок ZnO, о котором когда-либо сообщалось, и есть общее согласие относительно лучших характеристик с точки зрения проводимости пленок ZnO, выращенных с помощью ИЛО, чем у пленок, полученных с помощью других методов. Однако проблемы стабильности и стоимости, скорее всего, сдерживали дальнейшее развитие этого метода в промышленных масштабах.

Магнетронное напыление - один из практических методов осаждения. Было обнаружено, что наименьшее удельное сопротивление, полученное этим методом, все еще составляет порядка 10 -4 Ом · см, что выше удельных сопротивлений, полученных с помощью PLD несколько лет назад.Химическое осаждение из паровой фазы - еще один наиболее продвинутый промышленный метод осаждения. Как увеличить скорость роста и применять его к непрерывному поточному производству, является жизненно важным вопросом. Illiberi et al. нанесение пленок ZnO: Al на стекло с помощью масштабируемого в промышленных масштабах метода химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) при атмосферном давлении [40, 41]. Ввиду увеличения промышленного масштаба испаренные прекурсоры, то есть диэтилцинк (DEZ), третичный бутанол (t-BUT) и триметилалюминий (TMA), можно вводить в разные зоны осаждения, где осаждается каждый слой.Затем каждая зона устанавливается на одной и той же производственной линии непрерывно, реализуя поточное производство. Схема промышленной системы MOCVD при атмосферном давлении показана на рисунке 6. Максимальная скорость роста была обнаружена при температуре осаждения 480 ° C, для которой: пленки Al показывают хорошее кристаллическое качество, высокую проводимость (Ω / □ для толщины пленки выше 1050 нм) и хороший коэффициент пропускания (> 85% в видимом диапазоне).


Золь-гель метод представляет собой привлекательный жидкофазный способ получения тонких пленок из-за его преимуществ легкого управления составом пленки и изготовления тонкой пленки большой площади с низкой стоимостью.Луо и др. [45] разработали универсальный процесс осаждения пленки, сочетающий неводный золь-гель процесс с помощью микроволнового излучения с нанесением покрытия погружением. Удельное сопротивление полученных пленок было немного высоким (минимальное удельное сопротивление составляет 2,35 × 10 −2 Ом · см), но их результаты все еще многообещающие на пути к развитию жидкофазных методов. Для получения пленок TCO хорошего качества необходимо оптимизировать каждый этап золь-гель метода, включая синтез наночастиц, приготовление дисперсий, обработку тонких пленок и пост-отжиг.

4.2. Тип подложки

До настоящего времени прозрачные проводящие пленки изготавливались на множестве различных подложек, таких как стекло, сапфир и полимер. Полимерные подложки, полиэтилентерефталат (ПЭТ) [46], поликарбонат (ПК) [47], асполифталамид (PPA) привлекают все большее внимание благодаря своим достоинствам легкого веса, низкой стоимости, способности сгибаться, изгибаться, скручиваться, складываться. объем и перспективность применения в органических светодиодах (ОСИД) [48, 49].

Сама по себе природа подложки все еще может влиять на микроструктуру (кристаллизацию, морфологию) и электрические свойства пленок.Эсмаили-Сардари и др. провести исследование типа проводимости в зависимости от различных подложек [50]. Все пленки, выращенные на p-Si, легированном бором, имеют проводимость n-типа при низких температурах Холла и проводимость p-типа при высоких температурах эффекта Холла, но пленки, выращенные на подложке n-типа, демонстрируют поведение n-типа для всего диапазона температур Холла от 80 до 350 K, что свидетельствует о том, что различия в поверхностях, близких к подложкам, могут влиять на собственные дефекты и концентрации, а также на окончание границы ZnO (0001).

Shin et al. подготовили тонкие пленки из легированного Ga ZnO (GZO) на стекле и подложках из Al 2 O 3 (0001) с помощью высокочастотного магнетронного распыления в тех же условиях обработки и обнаружили, что отдельные зерна столбчатой ​​формы четко наблюдаются в GZO. пленку на стеклянной подложке, как показано на рисунке 7 (а). Однако трудно различить отдельные зерна в пленке GZO на подложке Al 2 O 3 (рис. 7 (б)). Превосходное кристаллическое качество эпитаксиально выращенных пленок GZO на подложках из Al 2 O 3 по сравнению с поликристаллическими пленками GZO на стеклянных подложках обеспечивает лучшие электрические характеристики.

Clatot et al. измерили кристалличность и стехиометрию пленок, кривые сопротивления и пропускания тонких пленок ZnO, легированных кремнием, нанесенных как на стеклянные, так и на подложки из ПЭТФ. Их результаты подтвердили сильную зависимость электрических и оптических свойств от природы подложки [46]. Поскольку теоретические и экспериментальные исследования влияния гидроксилирования, вакансий, межузельных атомов и примесного легирования на электронные свойства полярной поверхности ZnO (0002), проведенные Li et al.В [38] мы можем изучить влияние типа подложки на рост, дефекты и электронные свойства тонких пленок ZnO.

4.3. Температура роста

При высокой температуре пленки демонстрировали более высокую эффективность легирования, более высокую концентрацию носителей, более низкое удельное сопротивление и более высокую холловскую подвижность. Ли и др. [43] исследовали температурную зависимость электросопротивления и оптической ширины запрещенной зоны тонких пленок GZO. Удельное сопротивление пленок уменьшается с 9,61 · 10 −3 до 4.50 × 10 -4 Ом · см при увеличении температуры осаждения от 100 до 500 ° C (рис. 8), и это может быть связано с увеличением замещающего легирования и уменьшением плотности границ зерен с ростом температуры роста.


Для гибких подложек в органических светодиодах требуется низкая температура роста. Однако пленки всегда показывают плохие свойства при низкой температуре роста. Это соотношение не означает, что вся надежда на низкотемпературный рост потеряна. В последние годы выращивание высококачественных пленок при низких температурах на гибких подложках привлекло большое внимание из-за довольно низкой стоимости и множества уникальных приложений [51, 52].Clatot et al. успешно нанесла тонкие пленки из оксида цинка, легированного Si (SZO, Si 3%), при относительно низкой температуре (≤150 ° C) с помощью импульсного лазерного осаждения (PLD). Пленки SZO, нанесенные на подложки из ПЭТФ при 100 ° C, демонстрируют очень многообещающее удельное сопротивление 9,0 × 10 –4 Ом · см [46]. В [44, 53] описан процесс, сочетающий PLD при комнатной температуре и прямую импульсную лазерную рекристаллизацию (DPLR). Во время DPLR тонкая пленка AZO подвергается рекристаллизации и росту, в то время как нижележащая гибкая подложка сохраняется при низкой температуре.Схема метода DPLR и изменения температуры пленки AZO на различных подложках, выполненная с помощью мультифизического моделирования EM-HT, показана на рисунках 9 (a) и 9 (b), соответственно. Рекристаллизация и рост пленок уменьшают внутренние дефекты, что приводит к более высокой проводимости, холловской подвижности (увеличивается с 6,56 до 10,12 см 2 / Вс) и более высокому коэффициенту пропускания. Также стоит отметить, что отсутствие повреждений нижележащих подложек делает эту технологию перспективной для различных низкотемпературных применений.

4.4. Окружающая атмосфера

В технике депонирования аблированные частицы будут терять кинетическую энергию из-за столкновений с молекулами фонового газа, что приведет к разной плотности и морфологии пленки. Давлению газа, особенно парциальному давлению кислорода, уделялось много внимания [24, 25]. Gondoni et al. [35] обнаружили, что при изменении давления фонового газа (O 2 ) с 0,01 Па до 10 Па удельное сопротивление остается неизменным и увеличивается до величины 10 −1 Ом · см при резком достижении 10 Па (черные квадраты на рисунке 10).Увеличение удельного сопротивления при более высоких давлениях происходит из-за более низкой концентрации кислородных вакансий, что, в свою очередь, уменьшает количество свободных электронов. Кроме того, отжиг на воздухе вызывает увеличение удельного сопротивления (красные точки на рисунке 10), уменьшая остаточную зависимость от условий осаждения, поскольку кислородные вакансии насыщаются. Эта зависимость вариации наблюдалась и в других методах приготовления [5, 54].


При обработке методом CVD давление прекурсора при обработке методом CVD также сильно влияет на удельное сопротивление.Kim et al. [24] подготовили слои AZO на стеклянных подложках методом LP-CVD и обнаружили, что предшественник Al (триметилалюминий) оказывает сильное влияние на содержание Al и удельное сопротивление AZO.

4.5. Толщина пленки

Толщина пленки - еще один фактор, влияющий на электрические и оптические свойства пленок TCO на основе ZnO, которые изменяются от ~ 50 нм до ~ 2000 нм. При магнетронном распылении и других методах осаждения пленки ZnO различной толщины получают путем варьирования времени осаждения, температуры и мощности [42, 55].При нанесении покрытия методом золь-гель методом центрифугирования получают пленки различной толщины с различным временем повторения процедуры нанесения покрытия [26, 45, 56].

Как мы все знаем, электрическая проводимость становится лучше, а коэффициент пропускания может ухудшаться по мере увеличения толщины пленки [55]. Shin et al. В работе [42] исследовано влияние толщины пленки на структурные и электрические свойства тонких пленок ZnO, легированных Ga. Также было обнаружено, что разница в электросопротивлении между пленками на двух подложках уменьшилась с 9.48 × 10 −4 Ом от · см до 1,45 × 10 −4 Ом · см при увеличении толщины пленки от 100 до 1000 нм. На рисунке 7 проводимость увеличивается как из-за увеличения размера зерна, так и из-за уменьшения рассеяния на границах зерен. С другой стороны, при увеличении толщины адсорбируется больше фотонов в соответствии со следующим:

Здесь - интенсивность проходящего света, - это интенсивность падающего света, - это коэффициент поглощения и может рассматриваться как толщина пленки.Из-за этих двух противоположных тенденций трудно сбалансировать потребность в высокой проводимости с необходимостью высокой прозрачности. Получение более тонких пленок с превосходными электрическими и оптическими свойствами - одна из основных исследовательских задач.

5. Резюме

В этой статье в панорамном виде обсуждалось, как легирующие примеси и условия роста, такие как тип подложки, температура роста, влияют на электрические и оптические свойства пленок TCO на основе ZnO. мы рассмотрели недавно опубликованные работы по новой, дешевой, низкотемпературной и высокоскоростной технологии осаждения, выделив методы производства пленки на гибкой подложке, наиболее перспективные и быстро развивающиеся области исследований.Однако необходимы дополнительные экспериментальные работы, чтобы прояснить взаимосвязь между легированием, обработкой и свойствами тонких пленок ZnO.

Благодарности

Эта работа была поддержана Китайским фондом естественных наук (№№ 61222403), Программой внедрения высокоуровневых инновационных и новаторских талантов Цзянсу, Фондом фундаментальных исследований для центральных университетов (№№ 4015-56XIA12004 и 4015-56Ях21047) и Открытого фонда Государственной ключевой лаборатории комплексной оптоэлектроники №20 ********.

.

Смотрите также