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Article Dans Une Revue Applied Sciences Année : 2023

Influence of Al Doping on the Physical Properties of CuO Thin Films

Influence du dopage Al sur les propriétés physiques des couches minces de CuO

Résumé

The synthesis of cupric oxide (CuO) films on cost-efficient, optical grade borosilicate-crown glass substrates (BK7) via chemical spray pyrolysis (CSP), either in pure form or with a low concentration of Al doping (below 1%), is presented and discussed. As a non-toxic p-type semiconductor, exhibiting monoclinic crystal structure and widely tuneable band gap (Eg), it is used in various applications. The optical properties, morphology and crystalline phases of CuO films are influenced by substrate temperature during thin film growth (annealing) and also by chemical doping very often introduced to modify grain boundary energy. The importance of our research subject is therefore perfectly justified and is essentially based on the fact that the potential fields of application are wide. Thus, herein we emphasize impact of the annealing stage and Al doping upon the structural, optical and electrical properties of the resulting product. Raman spectroscopy analysis confirms the presence of vibrational bands characteristic of a CuO phase, while X-ray diffraction (XRD) confirms the polycrystalline nature of the pure films. The thickness of the CuO films grown at 350 °C over three annealing intervals is proportional to the annealing time, while the crystallite phase in the films is proportional with the annealing temperature. Furthermore, XRD analysis of the Al:CuO films indicates the formation of a monoclinic-type structure (CuO phase) exhibiting a preferred orientation along the (002) plane, together with a significant grain size reduction from ~88 to ~45 nm as Al content increases. The transmittance spectra (between 400 and 800 nm) reveal a decrease in the transmittance from 48% to 15% with as the Al doping ratio increases. Additionally, the bandgap energy of the films is measured, modelled and discussed, using data from an ultraviolet–visible (UV-Vis) spectrophotometer. The calculated Eg is approximately 3.5 eV, which decreases with respect to the increasing annealing temperature, while the electrical resistivity varies from ~19 to ~4.6 kOhm.cm. Finally, perspectives and applications of CuO films are suggested, since the films are found to have a remarkable improvement in their structure and optical properties when doped with Al.
La synthèse de films d'oxyde de cuivre (CuO) sur des substrats en verre borosilicate de qualité optique (BK7) par pyrolyse chimique en pulvérisation (CSP), soit sous forme pure, soit avec une faible concentration de dopage Al (inférieure à 1 %), est présenté et discuté. En tant que semi-conducteur de type p non toxique, présentant une structure cristalline monoclinique et une bande interdite (Eg) largement réglable, il est utilisé dans diverses applications. Les propriétés optiques, la morphologie et les phases cristallines des films de CuO sont influencées par la température du substrat lors de la croissance des films minces (recuit) ainsi que par le dopage chimique, très souvent introduit pour modifier l'énergie des joints de grains. L’importance de notre objet de recherche est donc parfaitement justifiée et repose essentiellement sur le fait que les champs d’application potentiels sont larges. Ainsi, nous soulignons ici l’impact de l’étape de recuit et du dopage à l’Al sur les propriétés structurelles, optiques et électriques du produit résultant. L'analyse par spectroscopie Raman confirme la présence de bandes vibrationnelles caractéristiques d'une phase CuO, tandis que la diffraction des rayons X (DRX) confirme la nature polycristalline des films purs. L'épaisseur des films de CuO développ
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Licence

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Identifiants

Citer

Radouane Daira, Bouzid Boudjema, Mohamed Bououdina, Mohamed Salah Aida, Catalin-Daniel Constantinescu. Influence of Al Doping on the Physical Properties of CuO Thin Films. Applied Sciences, 2023, 13 (14), pp.8193. ⟨10.3390/app13148193⟩. ⟨hal-04239008⟩

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