Influence of annealing temperature on the structural, morphological and optical properties of sol–gel spin-coated NiO thin films on Si and SiO₂ substrates

Silicon is de basis van de moderne elektronica, het materiaal dat alles van smartphones tot zonnepanelen aandrijft. Toch moeten ingenieurs silicon vaak combineren met andere materialen om deze apparaten efficiënt te laten werken, materialen die de stroom van elektriciteit op specifieke manieren kunnen beheren. Eén zodanig materiaal is nikkeloxide, een keramiekachtig substantie die van nature elektriciteit geleidt in een bepaalde richting, bekend als p-type geleidbaarheid. Deze eigenschap maakt het een waardevolle partner voor silicon in het creëren van geavanceerde sensoren, zonnecellen en geheugenapparaten. Om nikkeloxide echter goed te laten functioneren in deze rollen, moet het worden gegroeid als een dunne, uniforme film met een hoog geordende interne structuur. Als de atomen in de film ongeordend of onder spanning staan, wordt het materiaal minder effectief. De sleutel tot het organiseren van deze atomen ligt in hitte. Door de film te verhitten nadat deze is gecreëerd, kunnen wetenschappers de kleine kristallen erin stimuleren om groter te worden en zich in een meer perfecte rangschikking te nestelen, maar het vinden van de exacte temperatuur die dit bereikt zonder de film te beschadigen, is een delicaat evenwicht.

In een recente studie hebben onderzoekers aan de Nationale Universiteit van Oezbekistan geprobeerd dit perfecte evenwicht te vinden. Ze maakten dunne films van nikkeloxide op twee verschillende soorten silicon-gebaseerde oppervlakken: één gemaakt van puur silicon en een andere bedekt met een laag silicondioxide, een veelvoorkomend isolatiemateriaal. Ze gebruikten een techniek genaamd sol-gel spin coating, waarbij een vloeibare chemische mengsel op het oppervlak wordt gesponnen om het gelijkmatig te verspreiden, om de films laag voor laag op te bouwen. Zodu de films op hun plaats waren, onderwierpen ze deze aan een warmtebehandeling, of annealing, bij drie verschillende temperaturen: 400, 500 en 600 graden Celsius. Het doel was om te observeren hoe de interne structuur en de manier waarop licht met de film interageert veranderden naarmate de temperatuur toenam, om te bepalen welke temperatuur het hoogste kwaliteitsmateriaal produceerde voor toekomstige apparaten.

De onderzoekers onderzochten de films met krachtige instrumenten die de rangschikking van atomen en de vorm van het oppervlak konden zien. Bij de laagste temperatuur van 400 graden Celsius waren de films nog vrij ongeordend, bestaande uit extreem kleine kristalklontjes die nauwelijks zichtbaar waren voor de instrumenten. Naarmate de temperatuur steeg naar 500 graden, begonnen deze klontjes te versmelten en te groeien. Tegen de tijd dat de films 600 graden bereikten, was de transformatie voltooid. De kleine kristallen waren aanzienlijk gegroeid en bereikten een grootte van ongeveer 10 tot 11 nanometer, en de interne spanning die de atomen uit hun uitlijning perste, was ontspannen. De films werden dicht en vrij van scheuren, met een glad oppervlak bestaande uit fijne, ronde korrels. Dit niveau van orde was niet alleen een visuele verbetering; het betekende dat het materiaal structureel veel dichter bij een perfect, solide blok nikkeloxide uit de natuur stond.

Deze structurele verbetering had een directe en meetbare impact op hoe de films met licht omgingen. De onderzoekers maten de energiegap, wat de specifieke hoeveelheid energie is die nodig is voor het materiaal om licht te absorberen en elektriciteit te geleiden. Op de zuivere silicon substraten werd de energiegap gestaag breder naarmate de temperatuur toenam, bewegend van 3,42 elektronvolt bij 400 graden naar 3,55 elektronvolt bij 600 graden. Op de silicondioxide substraten bleef de energiegap consistent hoog, schommelend tussen 3,63 en 3,66 elektronvolt. Belangrijker nog, de studie keek naar de "disorder energy", een maatstaf voor hoe rommelig de atomaire structuur is. Bij lagere temperaturen was deze wanorde hoog, maar bij 600 graden daalde deze aanzienlijk op beide typen substraten. Deze daling bevestigde dat de hitte er succesvol in was geslaagd de defecten en onregelmatigheden te verwijderen die de prestaties van het materiaal belemmerden.

De studie sloot expliciet de mogelijkheid uit dat de veranderingen in lichtabsorptie werden veroorzaakt door de minuscule grootte van de kristallen zelf, een fenomeen dat bekend staat als quantum confinement. Als dat het geval was geweest, zou de energiegap anders hebben zich gedragen naarmate de kristallen groeiden. In plaats daarvan toonden de gegevens aan dat de veranderingen werden gedreven door het herstel van het kristalrooster en het verwijderen van defecten. De onderzoekers stelden vast dat 600 graden Celsius de optimale temperatuur was voor dit proces. Bij deze hitte bereikten de films hun grootste kristalgrootte, hun laagste interne spanning en hun schoonste atomaire rangschikking. Hoewel de films op de twee verschillende substraten lichte verschillen vertoonden in hun exacte energiewaarden, bereikten ze beide hun piekkwaliteit bij deze zelfde temperatuur.

Uiteindelijk biedt het werk een duidelijke routekaart voor het creëren van hoogwaardige nikkeloxidefilms voor gebruik met silicontechnologie. Door simpelweg de warmtebehandeling aan te passen naar 600 graden Celsius, kunnen fabrikanten films produceren die dicht, scheurvrij en hoog geordend zijn. Deze films zijn klaar om te worden geïntegreerd in de volgende generatie elektronische componenten, waar hun verbeterde structuur ervoor zal zorgen dat ze efficiënter functioneren. De bevindingen suggereren dat voor iedereen die apparaten wil bouwen die nikkeloxide met silicon combineren, er geen noodzaak is om te gokken naar de juiste condities; de weg naar het beste materiaal is rechtlijnig en ligt in het bereiken van die specifieke, hogere temperatuur.