A Study and Characterization of Semiconductive Films of SnO2 and F-doped SnO2 Prepared by Ultrasonic Spray Pyrolysis Technique

การศึกษาและหาคุณลักษณะของฟิล์มสารกึ่งตัวนำของทินออกไซด์และทินออกไซด์เจือฟลูออรีนซึ่งเตรียมโดยเทคนิคอัลตร้าโซนิคสเปรย์ไพโรไลซีส

Name: Chumphon Luangchaisri

Name: ชุมพล เหลืองชัยศรี

keyword: Thin Film

; Tin Dioxide

Abstract: Tin dioxide (SnO2) and fluorine doped tin dioxide (SnO2:F or FTO) films were prepared on glass slide substrates by a homemade ultrasonic spray pyrolysis apparatus. The control conditions for all prepared films were the coating time of 15 min and the varying substrate temperatures of 300, 350 and 400 C. For the deposition of the Sn02 films, the spray solution was tin tetrachloride pentahydrate (SnCl4 5H2O) dissolved in deionized water at 0.3M concentration. For the deposition of FTO films, the spray solution was the same with an addition of ammonium fluoride (NH4F). During the film deposition, small solution droplets evaporated and dried, leaving the SnCl4 particles to adhere onto the substrate. The amount of SnCl4 particles were increased and made the film more opaque when the substrate temperature was increased due to higher evaporation rate. These insulated solid particles could lower the film's conductivity due to the decrease of carriers' concentration and charge mobility. The resistivity of prepared SnO2 film decreased as the substrate temperature was increased from 300 to 350 C as a result of the increase of charge mobility although the carriers' concentration was decreased due to the increasing amount of SnCl4 particles. As the substrate temperature was increased from 350 to 400 C the resistivity increased due to higher solid particles of SnCl4 that lower both of charge mobility and carriers' concentration. The lowest resistivity of SnO2 film was found to be 0.97 Om-cm at 350 C. For the FTO films deposition, the NH4F/SnCl4 ratio was varied from 0, 5, 10, 20 and 40 mol%, respectively. The optimal resistivity for all substrate temperatures was observed at 10 mol% due to the limited amount of P- ions substitution of 0 2- ions. The resistivity of FTO rapidly decreased from 300 to 350?C due to more P- ions substitution and higher charge mobility resulting from the increase of film crystallinity. However, the resistivity slowly decreased from 350 to 400 C due to the increase of SnCl4 particles which reduced the increasing rate of the carriers' concentration and mobility. The lowest resistivity was found to be 3.62x10-3 Om-cm at 400 C. To improve the electrical properties of the prepared FTO films, the annealing treatment in air atmosphere was investigated. First, the as - deposited films were prepared with the optimum NH4F/SnCl4 ratio of 10 mol% at the substrate temperatures of 300 C to reduce the amount of SnCl4 particles adhering on the substrates. The annealing temperature and time were varied from 200, 250, 300 and 350 C, and 15, 30 and 45 min, respectively. After the annealing process, it was found that the carriers' concentration decreased due to the O atoms substitution of F atoms. Furthermore, the higher annealing temperature resulted in the faster decreasing of the carriers' concentration. On the other hand, the charge mobility was increased due to larger grain sizes that provided less grain boundary scattering. These two effects allowed the lowest resistivity to occur at a longer annealing time for a low annealing temperature and a shorter annealing time for a high annealing temperature. The optical transmission of annealed FTO films was found to decrease at longer wavelengths due to two reasons. Firstly, the higher carriers' concentration at lower annealing temperature increased the plasma frequency of the films and decreased the cut-off wavelength. Secondly, the higher charge mobility increased the slope of the cut-off wavelength and reduced the optical transmission faster in the longer wavelength. It can be concluded that the most optimal annealing condition was 200 C for 45 min, which could reduce the resistivity from 8.40x10-1 to 7.48x10-2 Om-cm.

Abstract: ฟิล์มทินออกไซด์ (SnO2) และทินออกไซด์เจือฟลูออรีน (SnO2:F, FTO) ถูกเคลือบบนแผ่นรองรับที่ เป็นกระจกสไลด์ ด้วยเครื่องมือสำหรับเคลือบฟิล์มแบบอัลตร้าโซนิคสเปรย์ไพโรไลซีสที่สร้างขึ้น เอง เงื่อนไขสำหรับการเตรียมฟิล์มทั้งหมดที่เหมือนกันคือ เวลาที่ใช้พ่นเคลือบ 15 นาที และอุณหภูมิ ของแผ่นรองรับมีค่าเปลี่ยนแปลงเป็น 300 350 และ 400 องศาเซลเซียส ในการเตรียมฟิล์มทิน ออกไซด์ สารละลายที่ใช้คือ ทินเตตตระคลอไรด์เพนตะไฮเดรต (SnCl4:5H2O) ละลายในน้ำ ปราศจากไอออน ที่มีความเข้มข้น 0.3 โมลาร์ สำหรับการเตรียมฟิล์มทินออกไซด์เจือฟลูออรีน สารละลายที่ใช้ยังคงเหมือนเดิมแต่เติมแอมโมเนียมฟลูออไรด์ (NH4F) ลงไป ระหว่างการเคลือบ ฟิล์มน้ำได้ระเหยออกจากหยดละอองของสารละลาย และแห้งกลายเป็นอนุภาคของทินเตตตระคลอไรด์ (SnCl) เกาะติดอยู่บนแผ่นรองรับ ปริมาณของสารอนุภาคทินเตตตระคลอไรด์นี้จะเพิ่มมากขึ้น และทำให้ฟิล์มขุ่นมากเมื่อุณหภูมิของแผ่นรองรับสูงขึ้น เนื่องจากอัตราการระเหยของน้ำสูงขึ้น อนุภาคของแข็งที่มีความเป็นฉนวนนี้สามารถทำให้ค่าการนำไฟฟ้าของฟิล์มลดลง เนื่องจากทำให้ค่า ความหนาแน่นและสภาพคล่องการเคลื่อนที่ของพาหะลดลง ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าของฟิล์มทิน ออกไซด์ที่เตรียมได้มีค่าต่ำลงเมื่ออุณหภูมิของแผ่นรองรับเพิ่มขึ้นในช่วงตั้งแต่ 300 ถึง 350 องศา เซลเซียสเป็นผลจากการเพิ่มขึ้นของค่าสภาพคล่องการเคลื่อนที่ของพาหะ ถึงแม้ว่าค่าความหนาแน่น ของพาหะจะลดลงเนื่องจากจำนวนอนุภาคทินเตตตระคลอไรด์ที่เพิ่มขึ้นก็ตาม เมื่ออุณหภูมิของแผ่น รองรับเพิ่มขึ้นในช่วงตั้งแต่ 350 ถึง 400 องศาเซลเซียส ค่าสภาพความต้านทานไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น เนื่องจาก ปริมาณของอนุภาคทินเตตตระคลอไรด์ที่เพิ่มมากขึ้นจนทำให้ทั้งค่าสภาพคล่องการเคลื่อน ที่ของพาหะและความหนาแน่นของพาหะมีค่าลดลง ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้ามีค่าต้ำที่สุด เท่ากับ 0.97 โอห์ม เซนติเมตร ที่อุณหภูมิของแผ่นรองรับเท่ากับ 350 องศาเซลเซียส ในการเคลือบฟิล์มทิน ออกไซด์เจือฟลูออรีน อัตราส่วนของแอมโมเนียมฟลูออไรด์ต่อทินเตตตระคลอไรด์ถูกปรับให้มีค่า เปลี่ยนแปลงเป็น 0 5 10 20 และ 40 เปอร์เซ็นต์โมล ตามลำดับ พบว่าที่ 10 เปอร์เซ็นต์โมลค่า สภาพต้านทานไฟฟ้าจะมีค่าต่ำที่สุดสำหรับทุกอุณหภูมิของแผ่นรองรับเนื่องจากจำนวน F สามารถ แทนที่ O-2 ได้ในจำนวนที่จำกัด ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าของฟิล์มทินออกไซด์เจือฟลูออรีนจะลดลง อย่างรวดเร็วเมื่อุณหภูมิของแผ่นรองรับมีค่าเพิ่มขึ้นในช่วง 300 ถึง 350 องศาเซลเซียส เนื่องจาก ปริมาณของ F แทนที่ O-2 ได้มาขึ้น และค่าสภาพคล่องการเคลื่อนที่ของพาหะเพิ่มขึ้นเป็นผลการ เพิ่มขึ้นของความเป็นผลึกของฟิล์ม อย่างไรก็ตาม ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าจะลดลงอย่างช้าๆในช่วง อุณหภูมิตั้งแต่ 350 ถึง 400 องศาเซลเซียส เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของอนุภาคทินเตตตระคลอไรด์ สามารถลดอัตราการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นและสภาพคล่องการเคลื่อนที่ของพาหะ ค่าสภาพ ต้านทานไฟฟ้าต่ำสุดเท่ากับ 3.62x10-3 โอห์ม เซ็นติเมตร ที่อุณหภูมิของแผ่นรองรับเท่ากับ 400 องศาเซลเซียส สภาพต้านทานไฟฟ้าของฟิล์มทินออกไซด์เจือฟลูออรีนถูกปรับปรุงด้วยกระบวนการ อบทางความร้อนในบรรยากาศปกติ โดยเริ่มจากการเตรียมฟิล์มก่อนนำมาอบด้วยสารละลายที่มี อัตราส่วนของแอมโมเนียมฟลูออไรด์ที่เกาะติดบนแผ่นรองรับจึงเตรียมฟิล์มที่อุณหภูมิของแผ่นรองรับ เท่ากับ 300 องศาเซลเซียส แล้วอบฟิล์มที่อุณหภูมิ 200 250 300 และ 350 องศาเซลเซียส และใช้เวลา ในการอบนาน 15 30 และ 45 นาทีตามลำดับ หลังจากการอบฟิล์มพบว่า ความหนาแน่นของพาหะ มีค่าลดลงเนื่องจากการแทนที่อะตอมฟลูออรีนโดยอะตอมออกซิเจนในอากาศ และนอกจากนั้นเมื่อ อุณหภูมิอบเพิ่มขึ้นจะส่งผลให้ความหนาแน่นของพาหะลดลงเร็วขึ้น ในทางตรงกันข้ามค่าสภาพ คล่องการเคลื่อนที่ของพาหะจะมีค่าเพิ่มขึ้นเนื่องจากเกรนมีขนาดโตขึ้น จึงทำให้การกระเจิงของ พาหะที่บริเวณขอบเกรนมีค่าลดลง จากปัจจัยทั้งสองประการนี้ ส่งผลให้ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า ต่ำที่สุดใช้เวลาในการอบนานเมื่ออุณหภูมิในการอบต่ำ และใช้เวลาในการอบสั้นลงเมื่ออุณหภูมิใน การอบสูงขึ้น หลังจากฟิล์มทินไดออกไซด์เจือฟลูออรีนผ่านการอบแล้ว พบว่าเปอร์เซ็นต์การ ส่องผ่านของแสงมีค่าลดลงในช่วงความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น เนื่องจากสาเหตุสองปัจจัย ปัจจัยแรกคือ ค่าความหนาแน่นของพาหะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิการอบลดลง ค่าความถี่พลาสมามีค่าเพิ่มขึ้น และค่า ความยาวคลื่นมากขึ้น จากการศึกษาสรุปว่าเงื่อนไขของอบฟิล์มที่ดีที่สุด คือ อุณหภูมิการอบ เท่ากับ 200 องศาเซลเซียสสำหรับเวลาอบนาน 45 นาที ซึ่งสามารถทำให้ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าของ ฟิล์มลดลงจาก 8.40 x 10-1 เป็น 7.48 x 10-2 โอห์ม เซนติเมตร

King Mongkut's University of Technology Thonburi. KMUTT Library

Address: BANGKOK

Email: info.lib@mail.kmutt.ac.th

Name: Supattanapong Dumrongratta

Role: Advisor

Created: 2011

Modified: 2555-05-08

Issued: 2012-05-07

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: PHY614

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Physics

Grantor: King Mongkut's University of Technology Thonburi

©copyrights King Mongkut's University of Technology Thonburi

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	PHY614ab.pdf	106.71 KB	14	2024-12-23 10:19:50
2	PHY614.pdf	1.85 MB	23	2024-09-03 00:34:07

ใช้เวลา

0.033015 วินาที