تحسين أداء الكاشف الضوئي لأغشية أكسيد الزنك المطعمة بالألمنيوم والمصنعة بطريقة SILAR: التحليل البنيوي والبصري والكهربائي
Title Enhancement of photodetector performance of aluminum-doped zinc oxide thin films fabricated via SILAR method: Structural, optical, and electrical analysis
الباحث الرئيس محمد توقير خان
الباحثون المشاركون
التخصص: الفيزياء
التخصص الدقيق: Material Science
المستخلص: تقدم هذه الدراسة تحليلًا شاملاً للخصائص البنيوية والبصرية والكهربائية والحساسية الضوئية لأغشية أكسيد الزنك المطعمة بالألمنيوم (Al:ZnO) والمصنعة باستخدام تقنيات الامتصاص والتفاعل الطبقي الأيوني المتتالي (SILAR). أكدت تحليلات رامان والحيود بالأشعة السينية (XRD) على بنية الوورتزيت السداسية وكشفت أن تطعيم الألمنيوم يعزز التبلور ونمو البلورات في ZnO. زاد متوسط حجم البلورات من 21.6 نانومتر في العينة غير المطعمة إلى 23.8 نانومتر في العينة المطعمة بنسبة 5.0 وزناً من الألمنيوم، بينما انخفضت تأثيرات الإجهاد من 4.67 × 10-3 إلى 4.36 × 10-3. كشفت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عن تحسن في مورفولوجيا الأغشية وهندسة أكثر تحديدًا مع زيادة تطعيم الألمنيوم، بينما أكدت تحليلات الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDAX) نجاح دمج الألمنيوم في شبكة ZnO. تشير التحليلات البصرية إلى تضييق فجوة ZnO إلى 2.81 إلكترون فولت في العينة المطعمة بنسبة 5.0 وزناً من الألمنيوم مقارنة بـ 3.02 إلكترون فولت في العينة غير المطعمة، بينما ظلت مواقع قمم الفلورية الضوئية (PL) دون تغيير. أشارت الفلورية الزمنية (TRF) إلى انخفاض في عمر الإلكترون مع زيادة تطعيم الألمنيوم. علاوة على ذلك، تكشف تقييمات تأثير هول عن انخفاض في حركة الناقلات والمقاومة الكهربائية، إلى جانب زيادة في تركيز الناقلات مع زيادة محتوى الألمنيوم. تحسنت كفاءة الكشف الضوئي بشكل كبير مع تطعيم الألمنيوم، خاصة عند نسبة 2.5 وزناً من الألمنيوم، حيث حققت استجابة قدرها 42.5 × 10-2 أمبير/واط، وكفاءة كمية خارجية بنسبة 99.3%، وكشفية قدرها 1.8 × 10¹¹ جونز. تظهر هذه النتائج أن تطعيم الألمنيوم يعزز بشكل كبير خصائص الكشف الضوئي لأغشية ZnO الرقيقة.
Abstract: This study presents a comprehensive analysis of the structural, optical, electrical, and photosensing characteristics of aluminum-doped zinc oxide (Al:ZnO) thin films, fabricated via successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) techniques. The Raman and X-ray diffraction (XRD) analyses validated the hexagonal wurtzite structure and revealed that Al doping enhances crystallinity and crystal growth of ZnO. The average crystallite size increased from 21.6 nm in undoped sample to 23.8 nm in 5.0 wt% Al-doped sample, while strain effects decreased from 4.67 × 10-3 to 4.36 × 10-3. Scanning electron microscopy (SEM) images revealed improved film morphology and more defined geometries with increased Al doping, while energy-dispersive X-ray analysis (EDAX) confirmed successful Al integration into the ZnO lattice. Optical analyses indicate a narrowing of the ZnO bandgap to 2.81 eV in 5.0 wt% Al:ZnO from 3.02 eV in the undoped variant, while photoluminescence (PL) peak positions remains unchanged. Time-resolved fluorescence (TRF) indicated a reduction in electron lifetime with higher Al doping. Furthermore, Hall effect assessments reveal a decrease in carrier mobility and electrical resistivity, alongside a rise in carrier concentration with higher Al content. The photodetection efficacy was substantially improved with Al doping, particularly at 2.5 wt% Al, achieving a responsivity of 42.5 × 10-2 A/W, external quantum efficiency of 99.3 %, and detectivity of 1.8 × 1011 Jones. These findings exhibit that Al-doping substantially enhances the photodetection properties of ZnO thin films.