Study of structural, electrical, optical and magnetic properties of ZnO based films produced by magnetron sputtering

Abstract

This work focused on the evaluating of the structure, optical, electrical and magnetic properties of and Zn0.90Co0.10O and Zn0.85[Co0.50Fe0.50]0.15O thin films synthesized from ceramic targets using the magnetron sputtering technique. Given the complexity of the deposition processes and in order to optimize the quality of the films in study, the first step this work consisted in carrying out a systematic study about the structural features and optical properties of ZnO films as function of substrate to target distance and rf power considering the magnetron sputtering system used in this work. This study reveled that the substrates must be located between -1 cm and + 6 cm on holder with a vertical substrate to target distance of 7.5 cm approximately. The sputtering conditions possible or range optimum for the deposition were: rf power between 80 and 125 W, argon working pressure between 8.0 x 10-3 and 9.0 x 10-3 Torr, substrate temperature between 200 and 300°C. The X- ray diffraction patterns ofZn0.90Co0.10O and Zn0.85[Co0.50Fe0.50]0.15O films showed only (002) peak indicating the strong preferred orientation along these planes. Zn0.90Co0.10O film showed transmittance above 70% with three absorption peaks in 1.89, 2.03 and 2.18 eV attributed to d-d transitions of tetrahedrally coordinated Co2+. Transmittance optic of Zn0.85[Co0.50Fe0.50]0.15O film was less than Zn0.90Co0.10O film between 400-700 nm. The band gap values for Zn0.90Co0.10O and Zn0.85[Co0.50Fe0.50]0.15 films were 2.95 and 2.70 eV respectively, which are slightly less than ZnO films found in this work. Although these films exhibited good crystallinity with a fraction of Zn atoms substituted by Co and Fe, from M-H measurements no indication of FM in both films was observed between -2000 and 2000 Oe at room temperature, indicating on the contrary, a possible character antiferromagnetic.

Este trabajo se centró en evaluar la estructura y las propiedades ópticas de películas finas de Zn0.90Co0.10O y Zn0.85[Co0.50Fe0.50]0.15 sintetizada a partir de targets cerámicos usando la técnica de magnetrón sputtering. Dado la complejidad del proceso de deposición y a fin de optimizar la calidad de las películas en estudio, la primera etapa de este trabajo consistió en realizar un estudio sistemático sobre las características estructurales y propiedades ópticas de las películas de ZnO en función de la distancia target-sustrato y de la potencia de radio frecuencia considerando el sistema de magnetrón sputtering utilizado en este trabajo. Este estudio reveló que los substratos deben situarse entre -1 cm y + 6 cm sobre el holder a una distancia vertical debajo del target de 7.5 cm aproximadamente. Las posibles condiciones u rangos óptimas encontrados para la síntesis fueron: Potencia rf, entre 80 y 125 W, presión de gas argón entre 8.0 x 10-3 y 9.0 x 10-3 torr, temperatura del substrato entre 200 y 300°C. Los patrones de difracción de las películas de Zn0.90Co0.10O y Zn0.85[Co0.50Fe0.50]0.15 mostraron solo un pico de difracción (002) indicando una fuerte orientación preferencial a lo largo de estos planos. La película de Zn0.90Co0.10O mostró transmisión por encima del 70% con tres picos de absorción en 1.89, 2.03 y 2.18 eV atribuido a las transiciones d-d del CO2+ tetraédricamente coordinado. La transmisión óptica de la película de Zn0.85[Co0.50Fe0.50]0.15O para la región entre 400-700 nm fue menor que la encontrada en la película de Zn0.90Co0.10O. Los valores de band gap para Zn0.90Co0.10O y Zn0.85[Co0.50Fe0.50]0.15O fueron 2.95 y 2.70 eV respectivamente, los cuales son ligeramente menores que las películas de ZnO encontradas en este trabajo. Aunque estas películas exhibieron buena cristalinidad con una fracción de los átomos del Zn substituidos por Co y Fe, a partir de las mediciones de M-H no se observó ninguna indicación de FM en ambas películas entre Oe -2000 y 2000 a temperatura ambiente, indicando por el contrario, un posible carácter antiferromagnetic.