Nano avanzato

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6518 (2023) Citare questo articolo

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A causa del gran numero di applicazioni industriali degli ossidi conduttivi trasparenti (TCO), questo studio si concentra su uno degli ossidi metallici più importanti. Il metodo sputtering RF-magnetron è stato utilizzato per fabbricare film sottili di NiO su substrati di quarzo e silicio a temperatura ambiente sotto flusso di argon e ossigeno. I campioni spruzzati sono stati ricotti in atmosfera di N2 a 400, 500 e 600 °C per 2 ore. Utilizzando le micrografie AFM e il software WSXM 4.0, sono stati calcolati i parametri di superficie di base, tra cui ruvidità quadratica media, rugosità media, curtosi, asimmetria, ecc. I parametri superficiali avanzati sono stati ottenuti dall'entropia di Shannon attraverso un algoritmo sviluppato, e la densità spettrale di potenza e la sucularità frattale sono state estratte con metodi correlati. Le proprietà ottiche sono state studiate utilizzando uno spettro di trasmittanza per ottenere il gap di banda ottica, il coefficiente di assorbimento, l'energia di Urbach e altri parametri ottici. Anche le proprietà della fotoluminescenza hanno mostrato risultati interessanti in accordo con le proprietà ottiche. Infine, le caratterizzazioni elettriche e le misurazioni I–V del dispositivo di eterogiunzione NiO/Si hanno dimostrato che può essere utilizzato come un buon dispositivo a diodi.

Come ossido di metalli con elevata densità di portatori liberi, eccellente conduttività elettrica ed elevata trasmittanza ottica nello spettro UV-VIS-NIR vengono introdotti gli ossidi conduttivi trasparenti (TCO)1. Hanno molte applicazioni a seconda dei loro valori di conduttività elettrica. Attualmente, i TCO più studiati e comunemente utilizzati a livello commerciale sono ITO (Sn:In2O3), FTO (F:SnO2) e materiali a base di ZnO2, che hanno tutti conduttività di tipo n. A causa dell'uso diffuso dei TCO nella fabbricazione di giunzioni pn trasparenti e nelle celle solari organiche, lo studio del loro tipo p è molto importante3.

Tra i materiali semiconduttori di tipo p che sono importanti dal punto di vista tecnologico con la speciale energia band gap nell'intervallo 3,6–4 eV, dovrebbe essere considerato in particolare l'ossido di nichel (NiO)4,5,6 i TCO di tipo p sono molto importanti e il NiO sottile i film a causa di caratteristiche specifiche come la stabilità superiore hanno attirato molta attenzione di recente. Sono stati utilizzati come materiale antiferromagnetico7, materiale per dispositivi di visualizzazione elettrocromici8, dispositivi fotovoltaici, supercondensatori elettrochimici, riflettori di calore, celle fotoelettrochimiche, celle solari e molti dispositivi optoelettronici9 e materiale a strati funzionali per sensori chimici10.

Le proprietà delle nanoparticelle e dei film sottili presentano caratteristiche molto interessanti rispetto alle proprietà del materiale sfuso11. Pertanto, diverse tecniche sono state utilizzate appositamente per la sintesi di film sottili e nanostrutture di NiO, come la pirolisi a spruzzo12, la deposizione di vapori chimici potenziata dal plasma13 e lo sputtering reattivo10. Tra questi, lo sputtering reattivo è quello più utilizzato. Lo sputtering del magnetron reattivo RF, tra una varietà di metodi, è un processo semplice14 ma altamente efficace per preparare film sottili di NiO grazie alla sua più semplice controllabilità di vari parametri come potenza15, pressione parziale di ossigeno16 e temperatura del substrato17. Il film sottile di NiO può essere preparato in varie forme come nanofili e nanofibre18, nanotubi19, emisferi cavi20, nanofiori21, strutture simili a cactus22 e nanofogli23.

In generale, negli studi che riguardano la morfologia delle superfici, è presente la microscopia a forza atomica (AFM), poiché consente di valutare le proprietà fisiche, con elevata precisione, delle superfici per applicazioni tecnologiche. Pertanto, grazie alla sua sensibilità e precisione, la tecnica AFM fornisce studi morfologici attraverso le mappe topografiche generate dalla scansione, fornendo diversi parametri morfologici24,25,26 e densità dello spettro di potenza (PSD)26, facilitando la caratterizzazione di superfici su micro o nanoscala. Lo studio della distribuzione delle altezze topografiche e della loro complessità spaziale su superfici di interesse tecnologico ha fornito grande supporto nell'ottimizzazione e nella fabbricazione di superfici con proprietà fisiche migliorate, ad esempio attrito, adesione, bagnabilità, porosità superficiale, ecc. Tali analisi consentono un'analisi ottimizzazione del processo di fabbricazione dei film sottili e sono stati ampiamente utilizzati nello studio della superficie dei film sottili di interesse tecnologico. Nel nostro manoscritto, è stato osservato che la diminuzione delle dimensioni dei cristalliti genera superfici più ruvide, tuttavia, con modelli spaziali più omogenei, indicando correlazioni a lungo raggio. Questo fatto è importante perché altri lavori hanno dimostrato che le superfici con schemi spaziali con distribuzione più omogenea sono meno soggette a guasti, ad esempio usura e crepe. Inoltre, è stato verificato, attraverso parametri frattali e frattali avanzati, che le superfici più ruvide presentano schemi spaziali più uniformi e una percolazione superficiale approssimativamente ideale, confermando l'aumento dell'omogeneità topografica in funzione dell'aumento della temperatura di ricottura.