Effect of hydrogen in controlling the structural orientation of ZnO:Ga:H as transparent conducting oxide films suitable for applications in stacked layer devices

文献情報

出版日 2016-06-30
DOI 10.1039/C6CP03613A
インパクトファクター 3.676
著者

Praloy Mondal, Debajyoti Das


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要旨

Hydrogenation of the ZnO:Ga network has been chosen as a promising avenue to further upgrade the optoelectronic and structural properties of the films. With an optimum incorporation of hydrogen at a low substrate temperature (TS = 100 °C) in RF magnetron sputtering plasma, the ZnO:Ga:H film, with a large crystallite size (∼17 nm) and improved crystallinity along the optimally preferred c-axis orientation with respect to both the 〈100〉 (I〈002〉/I〈100〉 ∼ 74) and 〈103〉 (I〈002〉/I〈103〉 ∼ 10) directions, attains a high electrical conductivity (σ ∼ 1.5 × 103) and ∼90% visible range optical transmission that yields a wide optical band gap of ∼3.78 eV. The dominant c-axis orientation of the ZnO crystals exhibits a distinct UV luminescence band at ∼340 nm that arises as a result of the typical exciton emission or near-band-edge emission, which occurs due to the recombination of photo-generated electrons and holes in the valence band or in traps near the valence band. Vacancies created by the out diffusion of oxygen from the network induces the growth along the 〈103〉 crystallographic orientation. With the introduction of an optimum amount of hydrogen into the network, the VO peak (OII) in the O 1s XPS spectrum significantly reduces in intensity while the Zn–OH peak (OIII) increases, indicating enhanced surface absorption of O species, which causes the improvement of c-axis orientation. The increase in the conductivity has been attributed to the centers assigned to isolated hydrogen atoms in the anti-bonding sites (ABO) or bond-centered sites of O–Zn bonds (BC), and Zn vacancies passivated by one or two hydrogen atoms. Hydrogen-induced dopant-like defects in the film and the associated large amount of tensile stress developed within the network has been correlated to the high conductivity and the wide band gap of the ZnO:Ga:H film due to the decreased repulsion between the O 2p and the Zn 4s bands and the Burstein–Moss effect as a consequence of the increased carrier concentration. Highly conducting and transparent c-axis oriented ZnO:Ga:H films grown by a device compatible process at a low TS are extremely useful for various stacked layer thin film devices, including solar cells.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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