Riassunto analitico
L’ossido di titanio (TiO2) in forma di anatasio drogato con Nb, risulta essere un valido candidato per sostituire l’ossido di indio drogato con stagno (ITO) e l’ossido di stagno drogato con fluoro (FTO), che nella forma di elettrodo trasparente vengono usati in diverse applicazioni tecnologiche come: monitor a schermo piatto, celle solari in silicio sottile amorfo o nelle celle a colorante (cioè celle di Grätzel).
In questo lavoro di tesi, sono stati prodotti, ad alta velocità di deposizione (decine di nm al minuto), film trasparenti ed elettricamente conduttivi di TiO2 dopata con niobio (TNO), per mezzo del magnetron sputtering reattivo equipaggiato con target metallici (Ti e Nb).
Il controllo attivo del flusso di ossigeno ha permesso di stabilizzare il grado di ossidazione della superficie dei target e quindi di ottenere un’alta velocità di deposizione.
Nei film sottili di anatasio dopato con Nb la bassa resistività (nella scala di 10-3 Ωcm) è stata ottenuta dopo un trattamento termico (450–600 °C) in atmosfera riduttiva (alto vuoto).
I parametri di deposizione e riscaldamento sono stati variati per produrre film con caratteristiche diverse: concentrazione del drogante niobio, struttura, stabilità delle fasi, spessore e resistività elettrica.
L’esposizione dei film alle condizioni ambientali ha dimostrato di giocare un ruolo fondamentale nel determinare la resistività elettrica del materiale. In particolare l’esposizione in aria per una decina di ore ha avuto un notevole effetto sulla resistività dei film. La resistività ha avuto un incremento da uno a quattro ordini di grandezza secondo una legge di potenza ed è stata influenzata dalla struttura e spessore dei film.
Per comprendere la causa dell’incremento della resistività elettrica dopo l’esposizione ambientale, i film sono stati studiati dal punto di vista chimico e strutturale.
Le analisi effettuate con la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) hanno mostrato una ri-ossidazione della superficie dei film dopo l’esposizione in ambiente. Mentre le misure di catodoluminescenza (CL) hanno rivelato che la stechiometria nel volume dei film non cambia dopo l’esposizione in ambiente.
I dati XPS e CL hanno dimostrato che la ri-ossidazione avviene negli strati più superficiali dei film e pertanto la resistività dei film non è sostanzialmente aumentata dalla ri-ossidazione.
Dopo la ri-ossidazione, le immagini ottenute con il microscopio a scansione elettronica (SEM) hanno rivelato la presenza di fratture, che si estendono attraverso l’intero spessore dei film. Il numero e la grandezza delle fratture sono legate alla struttura dei film e al tempo di esposizione dei TNO in condizioni ambientali.
|
Abstract
Nb-doped TiO2 in anatase form (TNO) is a viable candidate for the substitution of indium-tin-oxide (ITO), and fluorine-tin-oxide (FTO) as a transparent electrode in several technological applications like flat panel displays, thin film amorphous silicon in solar cells or dye-sensitized solar cells (i.e. Grätzel cells).
In this thesis work, transparent and conducting Nb-doped anatase TiO2 films (TNO) have been produced at high deposition rate (tens of nm per minute) by reactive DC-magnetron sputtering from metal targets (Ti and Nb).
High deposition rate was obtained by an active control of the oxygen gas flow in order to stabilize the poisoning of the targets surfaces.
Low resistivity (10-3 Ωcm range) Nb-doped TiO2 thin films have been obtained after thermal treatment (450–600 °C) in reductive atmosphere (high vacuum).
The deposition and post deposition parameters were changed to produce films with different proprieties as it concerns doping, structure, phases stability, thickness and electrical resistivity.
The exposure of the films to ambient air condition, has been found to play a crucial role in determining the electrical resistivity of the material. In particular, air exposure in the tens of hours range had a dramatic effect on the film resistance. The resistivity of the film increased from 1 to 4 order of magnitude with a power-law behaviour and it was influenced by structure and the thickness of the film.
In order to understand the increasing of the electrical resistivity, TNOs were studied from chemical and structural point of view.
X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis showed a re-oxidation of the surface of films after ambient exposure. However the cathodoluminescence (CL) measurements revealed that the stoichiometry of the films in the bulk was not changed upon air exposure.
XPS and CL data demonstrated that re-oxidation takes places in the first surface layers of the films and therefore the resistivity of the films do not substantially increase upon re-oxidation.
After re-oxidation, scanning electron microscope (SEM) imaging revealed the presence of fractures, which extend through the whole films thickness. The number and size of the fractures are related to the films structure and exposure time of TNO in environmental condition.
|
