Synthesis, Structure and Optical Properties of TiO 2 and TiO 2/Al 2O 3 Thin Films Deposited on Indium Tin Oxide Substrates Prepared by Chemical Bath Deposition

Abstract

TiO2 and TiO2 /Al2O3 thin films were applied on glass substrates containing indium and tin oxides (ITO) from a solution containing Ti[OCH(CH3)2]4 and AlCl3 · 6H2O at room temperature using a simple and economical method of chemical bath deposition (CBD-method). Then, the obtained thin films were annealed at 500 °C for two hours. The structural, morphological and optical properties of TiO2 and TiO2/Al2O3 thin films were analyzed by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), Raman spectroscopy and UV-visible spectrophotometry. The XRD results showed that the average size of TiO2 crystallites is 58.6 and 22.8 nm before and after annealing, whilst the average size of TiO2 /Al2O3 before annealing is 56 nm with the anatase phase and then after annealing crystallites with tetragonal symmetry are formed with a size of ~ 17 nm. The anatase peaks appeared at an annealing temperature of 500 °C indicating an increase in crystallinity during the annealing process. However, FT-IR analysis showed the presence of absorption peaks for various functional groups, such as O–H, CH, Ti–O–Ti, Al–O). The appearance of the anatase peak at 144 cm–1and sharp clear peaks after annealing also indicates an increase in crystallinity. FE-SEM images revealed an elongated spherical shape for TiO 2 nanocrystals and a nanoplatelet shape for TiO2/Al2O3. The optical band gap width for TiO2 thin films was 3.28 and 3.07 eV before and after annealing and for TiO2/Al2O3 thin films it decreased from 3.32 to 3.14 eV after annealing.

Тонкие пленки TiO2 и TiO2/Al2O3 осаждались на стеклянных подложках содержащих оксиды индия иолова (ITO) из раствора, содержащего Ti[OCH(CH3)2]4 и AlCl3 · 6H2O при комнатной температуре с использованием простого и экономичного метода химического осаждения в ванне (CBD-метод). Затем полученные тонкие пленки отжигали при 500 °C в течение двух часов. Структурные, морфологические и оптические свойства тонких пленок TiO2 и TiO2/Al2O3 исследовались методами рентгеновской дифракции (XRD), полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопией (FE-SEM), инфракрасной Фурье-спектрометрией (FT-IR), спектроскопией комбинационного рассеяния и УФ-видимой спектрофотометрией. Результаты XRD показали, что средний размер кристаллитов TiO2 составляет 58,6 и 22,8 нм до и после отжига соответственно, тогда как средний размер TiO2/Al2O3 до отжига составляет 56 нм с фазой анатаза, а затем после отжига формируются кристаллиты с тетрагональной симметрией с размером ~ 17 нм. Появление пиков анатаза при температуре отжига 500 °С указывает на увеличение кристалличности при отжиге. Однако FT-IR анализ показали присутствие пиков поглощения для различных функциональных групп, таких как O–H, CH, Ti–O–Ti, Al–O). Появление пика анатаза при 144 см–1 и резких четких пиков после отжига также свидетельствует об усилении кристалличности. Изображения FE-SEM выявили удлиненную сферическую форму для нанокристаллов TiO2 и форму нанопластинок для TiO2/Al2O3. Ширина оптической запрещенной зоны для тонких пленок TiO2 составила 3,28 и 3,07 эВ до и после отжига соответственно, а для тонких пленок TiO2/Al2O3 после отжига уменьшилась с 3,32 до 3,14 эВ.