Structural and Optical Properties of Cuprous Oxide (Cu2O) Thin Films: Effect of Growth Conditions
Creators: name: Προύντζου, Ελένη Χαράλαμπου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Φασματοσκοπία Raman
Λεπτά υμένια
Οξείδιο του χαλκού (Ι)
Cu2O
Περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD)
Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM)
Φασματοσκοπία Ενεργειακής Διασποράς Ακτίνων-Χ (EDS)
Απορρόφηση
Ανακλαστικότητα
Κατάσταση παραμόρφωσης (strain)
Raman spectroscopy
Thin films
Copper (I) oxide
X-ray Diffraction (XRD)
Scanning Electron Microscopy (SEM)
Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS)
Absorption
Reflectance
Strain

description: The main objective of the study is to investigate the effect of the growth conditions of Cu2O thin films on their structural and optical properties. The samples were grown by reactive sputtering on silicon and sapphire substrates. In particular, the influence of thickness, annealing conditions, gas mixture and substrate are investigated. In order to study the aforementioned characteristics, Scanning Electron Microscopy (SEM) is used to observe the surface morphology and characteristics of the thin films, while Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) is employed to perform elemental analysis of the samples. Raman spectroscopy is also an attractive technique for the detection of different oxidation states of copper (Cu2O, CuO), the identification of possible intrinsic point defects and for the study of resonance effects. X-ray diffraction (XRD) measurements are used for phase identification and determination of the strain state of the samples. The energy bandgap of Cu2O thin films is determined from the visible light absorption spectra and is correlated with the substrate-film lattice mismatch. Finally, the reflectance spectra and the energy bandgap of the samples are correlated with their color, whereas the thickness is estimated from the observed interference effects. Cu2O is one of the stable phases of the three copper oxide compounds (the others are Cu4O3 and CuO). It crystallizes in the cubic system and is a Transparent Conducting Metal Oxide (TCO). This semiconductor has recently attracted scientific interest due to its excellent optical and electrical properties that render it one of the important representative materials in optoelectronic and photovoltaic applications, due to its abundance in nature, its direct bandgap, its stability and its non-toxicity.
description: Βασικό στόχο της μελέτης που πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, αποτελεί η επίδραση των συνθηκών ανάπτυξης λεπτών υμενίων Cu2O στις δομικές και οπτικές τους ιδιότητες. Τα δείγματα αναπτύχθηκαν με ενεργό ψεκασμό (reactive sputtering) σε υποστρώματα πυριτίου και ζαφειριού. Ειδικότερα, διερευνάται η επίδραση του πάχους, των συνθηκών ανόπτησης, του μείγματος αερίου και του υποστρώματος. Για τη μελέτη των προαναφερθέντων χαρακτηριστικών, η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy-SEM) χρησιμοποιείται για την παρατήρηση της επιφανειακής μορφολογίας και χαρακτηριστικών των λεπτών υμενίων, ενώ με την Φασματοσκοπία Ενεργειακής Διασποράς Ακτίνων-Χ (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy-EDS) πραγματοποιείται στοιχειακή ανάλυση των δειγμάτων. Σημαντικό εργαλείο αποτελεί και η Φασματοσκοπία Raman με την οποία ανιχνεύονται οι διάφορες οξειδωτικές καταστάσεις του χαλκού (Cu2O, CuO), εντοπίζονται οι πιθανές σημειακές ατέλειες δομής και διερευνώνται φαινόμενα συντονισμού που επηρεάζονται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας λέιζερ. Από τις μετρήσεις περίθλασης ακτίνων-Χ (X-ray Diffraction-XRD) γίνεται ταυτοποίηση των στοιχείων και φάσεων που είναι παρούσες στα δείγματα και προσδιορίζεται η κατάσταση παραμόρφωσής τους (strain). Το ενεργειακό χάσμα των λεπτών υμενίων Cu2O προσδιορίζεται από τα φάσματα απορρόφησης ορατού και συσχετίζεται με την πλεγματική ασυμφωνία υποστρώματος-υμενίου. Τέλος, τα φάσματα ανακλαστικότητας και το ενεργειακό χάσμα των δειγμάτων συσχετίζεται με το χρώμα τους, ενώ υπολογίζεται το πάχος από τα φαινόμενα συμβολής που παρατηρούνται. Το Cu2O είναι μία από τις σταθερές φάσεις των τριών ενώσεων οξειδίου του χαλκού (οι άλλες είναι το Cu4O3 και το CuO). Κρυσταλλώνεται στο κυβικό σύστημα και είναι διαφανές αγώγιμο μεταλλικό οξείδιο (Transparent Conducting Metal Oxide-TCO). Ο συγκεκριμένος ημιαγωγός τελευταία έχει προσελκύσει το επιστημονικό ενδιαφέρον λόγω των εξαιρετικών οπτικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων του που τον καθιστούν έναν από τους σημαντικούς εκπροσώπους υλικών εφαρμογής σε οπτοηλεκτρονικές και φωτοβολταϊκές εφαρμογές, λόγω της αφθονίας των στοιχείων από τα οποία συντίθεται, του άμεσου χάσματος, της σταθερότητάς του και της μη τοξικότητάς του.