Effect of in Situ UV Irradiation on the Optical and Structural Properties of ZnO Thin Films Prepared by Dip-Coating Method
No Thumbnail Available
Date
2021
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Saudi Digital Library
Abstract
In this study, zinc oxide (ZnO) thin films were grown on glass substrate using a sol gel dip-coating method assisted with in situ ultraviolet (UV) irradiation. The films
were irradiated for 20 to 80 s during dipping. Growing the layers under the influence
of UV illumination provides an important opportunity for obtaining films with
enhanced properties. The effect of UV irradiation on the microstructural,
morphological, and optical properties of the as-deposited films was undertaken using
X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and UV-visible
spectroscopy. XRD patterns revealed that all the synthesized films are
polycrystalline phase ZnO with hexagonal structure and without any impurity
phases, indicating their high purity. Furthermore, increasing the UV exposure time
to 60 s improved the crystallinity of the films. UV irradiation had no effect on the
lattice parameters, but increased exposure time resulted in an increase in crystallite
VI
size. In addition, the UV-treated grown films for 20 and 40 s improved the (103)
peak intensity, whereas the films irradiated for 60 and 80 s improved the (112) peak
intensity. The SEM morphology observations revealed that the surface of all
synthesized films was continuous, rough, and dense, with streamer-shaped features
ranging in large from 0.8 to 1.6 𝜇𝑚 and length from 2.3 to 9 𝜇𝑚. The UV-vis
absorption spectra of the untreated and UV-treated dip-coated ZnO films showed that
all the films exhibited a high transmittance of visible light with an average optical
transparency over 85% and 100% at 700nm. Besides, all of the UV-treated films
exhibited narrow optical absorption that extended to the near-ultraviolet region.
Estimated band-gap values rise from 3.12 eV for the untreated film to 3.20 eV for
UV-treated film for 60s, which could be due to the Moss-Burstein effect observed in
degenerate semiconductor materials.
Description
تم ترسيب أغشية رقيقة من أكسيد الزنك (ZnO) على ركيزة زجاجية باستخدام طريقة الطلاء بالغطس وتعريضها للأشعة فوق البنفسجية أثناء ترسيبها. تم تعريض الأغشية للإشعاع لمدة تتراوح بين 20 إلى 80 ثانية أثناء الغمس. يعطي نمو الطبقات تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية أغشية ذات خصائص محسنة. تم قياس تأثير الأشعة فوق البنفسجية على الخصائص المجهرية والهيكلية والبصرية للأغشية المودعة باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD)، والفحص المجهري الإلكتروني (SEM)، والتحليل الطيفي المرئي للأشعة فوق البنفسجية. أوضحت أنماط XRD أن جميع الأغشية المترسبة عبارة عن طور متعدد البلورات ZnO بهيكل سداسي وبدون أي شوائب مما يشير إلى نقاوتها العالية علاوة على ذلك، أدى زيادة وقت التعرض للأشعة فوق البنفسجية إلى 60 ثانية إلى تحسين تبلور الأغشية. لم يكن للإشعاع فوق البنفسجي أي تأثير على بارامترات الشبيكة، ولكن أدى زيادة وقت التعرض إلى زيادة حجم البلورات. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأغشية المترسبة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية لمدة 20 و 40 ثانية حسنت من شدة القمة (103)، في حين أن الأغشية المعرضة للأشعة لمدة 60 و 80 ثانية حسنت من شدة القمة (112) أظهرت أطياف امتصاص الأشعة فوق البنفسجية لأغشية ZnO غير المعالجة والمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية أن جميع الأغشية أظهرت نفاذية عالية للضوء المرئي بمتوسط شفافية بصرية تزيد عن 85% و 100% عند 700 نانومتر إلى جانب ذلك، أظهرت جميع الأغشية المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية امتصاصا ضوئيًا ضيقًا امتد إلى المنطقة القريبة من الأشعة فوق البنفسجية. ترتفع قيم فجوة النطاق المقدرة من 3.12 eV للغشاء غير المعالج إلى 3.20 eV للغشاء المعالج بالأشعة فوق البنفسجية لمدة 60 ثانية، والذي يمكن أن يكون بسبب تأثير -موس بورستين الذي لوحظ في مواد أشباه الموصلات المتدهورة.
Keywords
ZnO thin films, dip coating, UV-irradiation, microstructure, optical properties