Study and elaboration of Fe/Li- doped SnO2 thin films

Abstract

In this work, elaboration of 0-10 wt.% Fe-doped SnO2 and 0, 2, 6 and 10wt.% Li-doped SnO2 thin films using spray pyrolysis technique on 480°C heated glass with moving nozzle. Tin chloride (SnCl2, SnCl4) and iron and lithium chloride (FeCl3, LiCl) were employed as sources of SnO2 and Fe/Li doping, respectively. The structural, optical and electrical characteristics of non-doped SnO2 and Fe/Li-doped SnO2 thin films with different ratios weight (Fe, Li)/Sn were studied. Transmittance spectra of all the thin films display high transparency more than 78% in the visible region. The optical gap of the thin films was found to be in 3.56-3.85eV range. In general, XRD shows polycrystalline structures with cassiterite tetragonal crystal phase with a preferential orientation for non-doped SnO2 toward (211) plane then shifts from (211) to (110) planes for 1, 2 and 4wt.%. Whereas for Li doping the structural shifts from (110) to (211) planes. The values of crystallite size were found to be in 30.11-56.99nm range. SEM survey of the surface morphology shows that the whole substrates are well covered by SnO2 uniform surface with few numbers of pores. Those pores density increases with increasing iron doping. Electrical resistivity increases from 1.2×10-4 to 3.4×10-3Ωcm. The Hall effect measurements have shown n-type for non-doped SnO2 then the type conductivity changes to p-type for Fe-doped SnO2 thin films over 2 wt.%. Whereas Li-doped SnO2 are only p-type with electrical resistivity of about 2.7×10-2 to 0.1Ωcm. تم خلال هذه الدراسة ترسيب شرائح رقيقة من أكسيد القصدير(SnO2) غير المطعمة والمطعمة بالحديد(0-10wt.% Fe/Sn) وأخرى مطعمة بالليثيوم (0-10 Li/Sn wt.%)باستخدام تقنية الرش بالانحلال الحراري ذات فوهة متحركة على مساند زجاجية حرارتها °C 480. تم استخدام كلوريد القصدير SnCl4و SnCl2وكلوريد الحديد FeCl3وكلوريد الليثيوم LiCl كمصادر لأكسيد القصدير غير المطعم (SnO2)و المطعم بالحديد والليثيوم على التوالي. تمت دراسة الخصائص البنيوية والضوئية والكهربائية للشرائح الرقيقة المحضرة. تظهر أطياف النفاذية لجميع الأغشية الرقيقة شفافية عالية تفوق %78 في المجال المرئي. أما قيم العصابة الممنوعة للأغشية الرقيقة فتراوحت بين .(3.85-3.56eV) يظهر طيف انعراج الأشعة السيني بنية متعددة التبلور ذات طور بلوري رباعي. أما الاتجاه التفضيلي لنمو الأغشية الرقيقة لأكسيد القصدير غير المطعم(SnO2) كانت وفق الاتجاه (211) ثم غيرت الاتجاه من (211) إلى (110) في ما يخص الشرائح المطعمة بالحديد بالنسب التالية: 1wt.%و 2wt.%و4 wt.%. والأغشية المطعمة بالليثيوم فتغير الاتجاه التفضيلي من (110) إلى (211). يأخذ الحجم البلوري قيما تتراوح بين (30.11-56.99nm). أما المتابعة بالمجهر الالكتروني الماسح (SEM)أظهرت أن سطح الركائز مغطى بالكامل بسطح متجانس مع عدد قليل من المسام بالنسبة لأغشية أكسيد القصدير غير المطعم ثم تزداد كثافة المسام مع زيادة نسب التطعيم بالحديد. تزداد المقاومة الكهربائية من10-4 ×1.2 الى10-3Ωcm ×3.4 .أظهرت قياسات تأثير Hall أن أغشية أكسيد القصدير غير المطعم ناقليتها من نوعn ، ثم تتغير الناقلية إلى نوع p للأغشية الرقيقة المطعمة بالحديد بنسب تفوق 2wt.%. أما بالنسبة للأغشية المطعمة بالليثيوم فكانت ذات ناقلية من النوع p لكل نسب التطعيم مع مقاومة كهربائية تتراوح قيمتها في المجال10-2Ωcm) ×(0.1-1.2.