Growth and Characterization of Chromium Oxynitride Thin Films by RF Magnetron Sputtering for Energy Harvesting and Energy Storage Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Waheed- Thesis Eprint_compressed.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 13 May 2025. Download (918kB)

Arabic Abstract

تتضمن هذه الأطروحة تصنيع وتوصيف الأغشية الرقيقة من نيتريد الكروم (CrN) وأوكسينيتريد الكروم (CrOxN1-x) لتطبيقات حصاد الطاقة وتخزينها. تم تصنيع أفلام CrN وCrOxN1-x عالية الجودة باستخدام رش المغنطرون بالترددات الراديوية على ركائزالسيليكون Si(001)والزجاج . أثناء النمو، تم الحصول على تدفق الكروم من هدف الاخرق عالي النقاء، وتم الحصول على النيتروجين والأكسجين من مصدر غاز نقي بنسبة 99.999٪. تمت زراعة الأفلام في ظل ظروف نمو مختلفة وتم تحديد تأثيرها المحتمل على البنية والخواص الإلكترونية البصرية والكهروكيميائية من خلال مجموعة متنوعة من أدوات وتقنيات التوصيف المتقدمة مثل مقياس القطع الناقص، ومقياس الطيف الضوئي UV-VIS-IR، ومقياس حيود الأشعة السينية، ومسح الإلكترون, مجهر التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة من الطاقة، التحليل الطيفي الإلكتروني الضوئي للأشعة السينية، قياس مسبار فاندر باو رباعي النقاط لقياس المقاومة الكهربائية، إعداد تأثير هول، وفيستا. تمت زراعة الأفلام بمعدلات تدفق مختلفة من النيتروجين والأكسجين مع الحفاظ على تدفق الكروم ثابتًا. يؤكد التحليل الهيكلي بواسطة XRD وجود مركبات بلورية مختلفة مثل CrN وCr2O3 كان التغيير الملحوظ في التركيب البلوري والتركيب الإلكتروني والتشكل الذي لوحظ في خصائص الفيلم بسبب اختلاف معدلات تدفق النيتروجين والأكسجين. على سبيل المثال، تغيرت فجوة النطاق لـ CrOxN1-x في المدى من 0.27 فولت إلى 3.56 فولت. تم تغيير معامل Hall من القيمة السالبة إلى القيمة الموجبة لأفلام CrN عن طريق ضبط معدل تدفق النيتروجين. أظهرت الأفلام المزروعة بمعدل تدفق منخفض للنيتروجين طبيعة شبه موصلة من النوع n وأظهرت الأفلام المزروعة بمعدل تدفق مرتفع للنيتروجين طبيعة شبه موصلة من النوع p مما يشير إلى أن غالبية حاملات الشحنة تحولت من الإلكترونات إلى الثقوب على Si (001) و يُعزى ذلك لمعدلات تدفق النيتروجين المختلفة. وبالمثل، تم فحص أطياف مركب XPS لحالات Cr 2p وN 1s وO 1s لتحديد معلومات الحالة الكيميائية أو حالة الأكسدة للطبقة السطحية من بنية الفيلم وفقًا لطاقة الارتباط الخاصة بها. كما يُعزى التغير التدريجي في شدة الذروة والتحول في الأنواع الثلاثة المميزة التي تمت ملاحظتها إلى تأثيرات التغيرات في معدلات تدفق الغازات التفاعلية (النيتروجين والأكسجين) في الأفلام. تم إجراء التوصيف الكهروكيميائي للأفلام المختارة من خلال استخدام محطات العمل الكهروكيميائية الأساسية مثل قياس الجهد الدوري، أو تفريغ الشحنة الجلفانية أو قياس الجهد الزمني، والتحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية باستخدام 1 مول من الالكتروليت المائي H2SO4. أظهرت نتائجنا سعة مساحة قصوى تبلغ 65 مللي فاراد/سم2 بمعدل مسح قدره 20 مللي فولت/ثانية و75 مللي فاراد/سم2 عند 0.5 مللي أمبير/سم2 من قياسات CV وGCD على التوالي، وبالمثل مع الاحتفاظ بالسعة بنسبة 98.2% وكفاءة كولومبية تبلغ 97.5 % عند دورة 5000 GCD و5 مللي أمبير/سم2. في الختام، يساهم هذا العمل في فهمنا لكيفية التحسين في صناعة وتحضير CrN، وCrOxN1-x، وربما مركبات أخرى مماثلة لمجموعة واسعة من التطبيقات التكنولوجية المتطورة.

English Abstract

This thesis involves the fabrication and characterization of thin films of chromium nitride (CrN) and chromium oxynitride (CrOxN1-x) for energy harvesting and energy storage applications. High-quality CrN and CrOxN1-x films were synthesized utilizing radiofrequency magnetron sputtering on Si(001) and glass substrates. During the growth, chromium flux was obtained from a high-purity sputtering target, and nitrogen and oxygen were obtained from a 99.999% pure gas source. The films were grown under different growth conditions and their potential influence on the structure, optoelectronic, and electrochemical properties was characterized by a variety of advanced characterization instruments and techniques such as ellipsometer, UV-VIS-IR spectrophotometer, X-ray diffractometer, scanning electron microscope, energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Vander Pauw four-point probe measurement for measuring electrical resistivity, Hall effect set up, and Vesta. The films were grown with varying nitrogen and oxygen flow rates while keeping the Cr flux constant. The structural analysis by XRD confirms different crystalline compounds such as CrN and Cr2O3. A noticeable change in the crystalline structure, electronic structure, and morphology observed in the film characteristics was due to varying nitrogen and oxygen flow rates. For example, the bandgap of CrOxN1-x has changed in a range from 0.27 eV to 3.56 eV. The Hall coefficient changed from negative to positive values for the CrN films by adjusting the nitrogen flow rate. The films grown with a low nitrogen flow rate showed an n-type semiconducting nature and the films grown with a high nitrogen flow rate demonstrated a p-type semiconductor suggesting that the majority of charge carriers shifted from electrons to holes on Si(001) due to varying nitrogen flow rates. Similarly, the XPS compound spectra of the Cr 2p, N 1s, and O 1s states were scrutinized to establish the chemical or oxidation state information of the surface layer of the film structure according to their binding energy. A progressive change in the peak intensity and shifting in the three distinctive species observed were ascribed to the effects of the variations of reactive gases (nitrogen and oxygen) flow rates in the films. The electrochemical characterizations of selected films were conducted by the utilization of basic electrochemical workstations such as cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge or chronopotentiometry, and electrochemical impedance spectroscopy using a 1 mole H2SO4 aqueous electrolyte. Our result showed a maximum areal capacitance of 65 mF/cm2 at a scan rate of 20 mV/sec and 75 mF/cm2 at 0.5 mA/cm2 from CV and GCD measurements respectively and similarly with capacitance retention of 98.2% and Coulombic efficiency of 97.5% at 5000 GCD cycle and 5 mA/cm2. In conclusion, this work contributes to our understanding of how to optimize the fabrication of CrN, CrOxN1-x, and possibly other similar compounds for a wide range of cutting-edge technological applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Khan, Alam
Committee Members:	Ziq, Khalil Ali Ali Hassan and Haider, Muhammad Baseer
Depositing User:	Mr. WAHEED SANJO KAMORU
Date Deposited:	15 May 2024 06:12
Last Modified:	15 May 2024 06:12
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142853