Формирование электрохимическим методом композитных материалов на основе оксида цинка и меди

Методом электрохимического осаждения на подложках из монокристаллического кремния получены структуры на основе ZnO и Cu, представляющие собой поликристаллический композит, состоящий из кристаллического ZnO с кристаллографической ориентацией (002) и (101), легированного Cu, и кристаллитов металлической Cu. При исследовании полученных пленок методом рамановской спектроскопии было подтверждено образование кристаллического ZnO. Было получено, что на спектрах комбинационного рассеяния всех образцов присутствует полоса с максимумом, относящаяся к колебательной моде ZnO 2А₁(LO). Также на спектрах каждого из образцов присутствует полоса в области 649 см^-1, не связанная с колебательными модами решетки собственного кристаллического ZnO. Показано, что при увеличении плотности тока осаждения в диапазоне 2–10 мА/см² концентрация Cu в материале снижается, при этом уменьшается количество кластеров Cu, но возрастает степень легирования ZnO ионами Cu. Композиты на основе ZnO демонстрируют широкую полосу фотолюминесценции в диапазоне длин волн 500–700 нм, связанную с наличием вакансий и междоузельных атомов кислорода в кристаллической решетке. При плотности тока осаждения 5 мА/см² наблюдается коротковолновой сдвиг полосы фотолюминесценции, обусловленный легированием Cu, так как в запрещенной зоне создаются примесные уровни, связанные с присутствием Cu в пленках ZnO. Наблюдалось изменение интенсивности излучения при плотности тока 10 мА/см², что обусловлено большей толщиной полученных пленок. Результаты исследования могут быть использованы при разработке технологии изготовления оптоэлектронных и фотовольтаических приборов, фотокаталитических покрытий на основе ZnO.

1. Özgür Ü., Alivov Ya.I., Liu C., Teke A., Reshchikov M.A., Dogan S., Avrutin V., Cho S.J., Morkoc H. Comprehensive review of ZnO materials and devices. J. Appl. Phys. 2005;98:1 103. https://doi.org/10.1063/1.1992666.

2. Покутний С.И. Энергия связи экситона в полупроводниковых квантовых точках. Физика и техника полупроводников. 2010;4:508-512. Pokutny S.I. [Exciton binding energy in semiconductor quantum dots]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov. 2009;44:508-512. (In Russ.)

3. Johnson C., Choi Heon-Jin, Knutsen P., Richard D., Yang Peidong, Richard J. Single gallium nitride nanowire lasers. Nat. Mater. 2002;1:106-110. https://doi.org/10.1038/nmat728.

4. J. Yu, X. Yu. Hydrothermal synthesis and photocatalytic activity of zinc oxide hollow spheres. Environ. Sci. Technol. 2008;42:4902-4907. https://doi.org/10.1021/es800036n.

5. Kaviyarasu K., Maria Magdalane C., Kanimozhi K., Kennedy J., Siddhardha B., Subba Reddy E., Rotte N.K., Sharma C.S., Therma F.T., Letsholathebe D., Mola G.T., Maaza M. Elucidation of photocatalysis, photoluminescence and antibacterial studies of ZnO thin films by spin coating method. J. Photochem. Photobiol. 2017;173:466-475. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2017.06.026.

6. Zhang Z., Yi J.B., Ding J., Wong L.M., Seng H.L., Wang S.J., Tao J.G., Li G.P., Xing G.Z., Sum T.C., Alfred Huan C.H., Wu T. Cu-Doped ZnO nanoneedles and nanonails: morphological evolution and physical properties. J. Phys. Chem. 2008;122:9579-9585. https://doi.org/10.1021/jp710837h.

7. Kasuga M., Mochizuki M. Orientation relationships of zinc oxide on sapphire in heteroepitaxial chemical vapor depositionm. J. Cryst. Growth. 1981;185-194. https://doi.org/10.1016/0022-0248(81)90459-0.

8. Srikant V., Sergo V., Clarke D.R. Epitaxial aluminum-doped zinc oxide thin films on sapphire: i, effect of substrate orientation. Appl. Phys. Lett. 1995;54:1931-1934. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1995.tb08912.x.

9. Izyumskaya N., Avrutin V., Wladimir S., El-Shaer A., Reub F., Gruber Th., Waag A. Molecular beam epitaxy of high-quality ZnO using hydrogen peroxide as an oxidant. J. Cryst. Growth. 2004;269:356-361. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.04.120.

10. Tsukazaki A., Ohtomo A., Onuma T., Ohtani M., Makino T., Sumiya M., Ohtani K., Chichibu S.F., Fuke S., Segawa Y., Ohno H., Koinuma H., Kawasaki M. Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light-emitting diode based on ZnO. Nat. Mater. 2004;4:42-46. https://doi.org/10.1038/nmat1284.

11. Xu L., Guo Y., Liao Q., Zhang J., Xu D. Morphological control of ZnO nanostructures by electrodeposition. J. Phys. Chem. 2005;109:13519-13522. https://doi.org/10.1021/jp051007b.

12. Cuscó R., Alarcón-Lladó E., Ibáñez J., Artús L., Jiménez J., Wang B. Temperature dependence of Raman scattering in ZnO. Physical Review. 2007;75:1-11. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.165202.

13. Chubenko E.B., Klyshko A.A., Bondarenko V.P., Balucani M. Electrochemical deposition of zinc oxide on a thin nickel buffer layer on silicon substrates. Electrochim. Acta. 2011;56:4031-4036. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.02.008.

14. Michael W.E., Norman H., Tyler B.C., John K.B., Michael B., Willi A.B. Atomic weights of the elements. Pure Appl. Chem. 2013;85:1047-1078. https://doi.org/10.1351/PAC-REP-13-03-02.

15. Cong C.J., Liao L., Liu Q.Y., Li J.C., Zhan K.L. Effects of temperature on the ferromagnetism of Mn-doped ZnO nanoparticles and Mn-related Raman vibratio. Nanotechnology. 2006;17:1520-1526. https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/5/059.