Influence of Film Thickness on Optical Band Gap of CuO Thin Films

Abstract

This master's dissertation investigates the influence of film thickness on the optical band gap of copper oxide (CuO) thin films prepared by the sol-gel spin coating technique. Three sets of CuO thin films were fabricated on glass substrates by varying the number of deposited layers (6, 9, and 12 layers), corresponding to thicknesses of approximately 201 nm, 422 nm, and 943 nm, respectively. Copper acetate monohydrate was used as the precursor, ethanol as the solvent, and monoethanolamine as the stabilizing agent. The films were annealed at 500°C for 2 hours in air. The structural, optical, and electrical properties were characterized using X-ray diffraction (XRD), UV-Visible spectroscopy, and the four-point probe technique. XRD analysis confirmed the formation of pure polycrystalline monoclinic CuO (tenorite phase) in all samples, with no secondary phases detected. The crystallite size exhibited a non-monotonic variation with thickness, reaching a maximum of 15.12 nm at the intermediate thickness of 422 nm, accompanied by minimum lattice strain and dislocation density, indicating optimal crystallographic quality at this thickness. The central finding of this work is the systematic decrease of the optical band gap from 2.79 eV to 2.11 eV as the film thickness increases from 201 nm to 943 nm. This band gap narrowing of approximately 0.68 eV is attributed to the relaxation of quantum confinement effects, the increase in structural disorder (reflected by the increase of Urbach energy from 328.8 meV to 564.0 meV), and the reduction of grain boundary effects in thicker films. An inverse correlation between the optical band gap and the Urbach energy was established, confirming the dominant role of structural disorder in controlling the optical absorption properties. The electrical measurements revealed that the resistivity reaches a minimum of 74 Ω·cm at the intermediate thickness of 422 nm, correlating with the best structural quality. This result confirms that grain boundary scattering is the primary mechanism governing charge transport in polycrystalline CuO films. These results demonstrate that film thickness is a simple and effective parameter for tuning the optical band gap of CuO thin films over a significant energy range, enabling their optimization for specific applications in solar cells, photodetectors, photocatalysis, and other optoelectronic devices. تتناول مذكرة الماستر هذه دراسة تأثير سمك الطبقة الرقيقة على فجوة الطاقة البصرية لأغشية أكسيد النحاس ) (CuOالرقيقة المحضرة بتقنية الطلاء بالدوران ) (spin coatingباستخدام طريقة السول-جل. تم تحضير ثلاث مجموعات من أغشية أكسيد النحاس الرقيقة على ركائز زجاجية بتغيير عدد الطبقات المرسبة ( 6و 9و 12طبقة،) وهو ما يقابل سماكات تقريبية تبلغ 201 نانومتر و 422نانومتر و 943نانومتر على التوالي. استُخدم أسيتات النحاس أحادي الماء كمادة أولية، والإيثانول كمذيب، وأحادي إيثانول أمين كعامل استقرار. تم تلدين الأغشية عند درجة حرارة 500درجة مئوية لمدة ساعتين في الهواء. تمت دراسة الخصائص البنيوية والبصرية والكهربائية باستخدام حيود الأشعة السينية ) (XRDوالتحليل الطيفي فوق البنفسجي- المرئي ) (UV-Visوتقنية المسبار رباعي النقاط. أكد تحليل حيود الأشعة السينية تك ّون طور أكسيد النحاس أحادي الميل (طور التينوريت) النقي متعدد البلورات في جميع العينات، دون اكتشاف أي أطوار ثانوية. أظهر حجم البلورات تغيراً غير رتيب مع السمك، حيث بلغ أقصى قيمة له 15.12 نانومتر عند السمك المتوسط 422نانومتر، مصحوباً بأقل قيم للإجهاد الشبكي وكثافة الانخلاعات، مما يدل على أفضل جودة بلورية عند هذا السمك. النتيجة الرئيسية لهذا العمل هي الانخفاض المنتظم لفجوة الطاقة البصرية من 2.79إلكترون فولت إلى 2.11إلكترون فولت مع زيادة سمك الطبقة الرقيقة من 201نانومتر إلى 943نانومتر. يُعزى هذا التضييق في فجوة الطاقة بمقدار 0.68إلكترون فولت تقريباً إلى عدة عوامل: تراجع تأثيرات الحصر الكمي، وزيادة الاضطراب البنيوي (الذي ينعكس في ارتفاع طاقة أورباخ من 328.8ميلي إلكترون فولت إلى 564.0ميلي إلكترون فولت)، وتقلص تأثيرات الحدود الحبيبية في الأغشية الأكثر سمكاً. تم إثبات وجود علاقة عكسية بين فجوة الطاقة البصرية وطاقة أورباخ، مما يؤكد الدور المهيمن للاضطراب البنيوي في التحكم بخصائص الامتصاص البصري. كشفت القياسات الكهربائية أن المقاومة النوعية تصل إلى حدها الأدنى البالغ 74أوم·سم عند السمك المتوسط 422نانومتر، بما يتوافق مع أفضل جودة بنيوية. تؤكد هذه النتيجة أن التشتت عند الحدود الحبيبية هو الآلية الرئيسية المتحكمة في نقل حاملات الشحنة في أغشية أكسيد النحاس متعددة البلورات. تُبرهن هذه النتائج أن سمك الطبقة الرقيقة يمثل معلمة بسيطة وفعالة لضبط فجوة الطاقة البصرية لأغشية أكسيد النحاس الرقيقة عبر نطاق واسع من الطاقة، مما يتيح تحسينها لتطبيقات محددة في الخلايا الشمسية وكواشف الضوء والتحفيز الضوئي وأجهزة الإلكترونيات الضوئية الأخرى