Synthesis and characterization of metal-doped zinc oxide coatings

This study presents a comprehensive investigation into diverse variations of zinc oxide nanofilms, encompassing undoped ZnO nanofilms, hafnium-doped ZnO nanofilms, and zirconium-doped ZnO nanofilms. The synthesis of these nanofilms was achieved through the sol-gel methodology, with silicon wafers utilized as substrates. The structural morphology, chemical composition, optical properties, and catalytic efficacy of the nanofilms were characterized through X-ray diffraction, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and UV-visible spectrophotometry. It was observed that the elevation of the annealing temperature induced a progressive enhancement in the crystallinity of the films, concomitantly augmenting the grain size, accompanied by a reduction in transmittance, with the nadir observed at 550 °C (approximately 80%). The introduction of hafnium ions led to a reduction in crystallinity but engendered a noticeable increase in transmittance, an enhancement in surface morphology, a diminution in surface roughness, and a decrease in contaminant degradation rates. Specifically, a 5% hafnium doping regime level resulted in a notable reduction in roughness, quantified by an RMS value of 2.4, along with a transmittance that exceeded 85%. Furthermore, a 15% doping level imparted heightened hydrophilicity upon the ZnO film surface, leading to a significantly reduced contact angle of 44°. In contrast to hafnium doping, the introduction of zirconium precipitated a reduction in grain size, culminating in a densely compact and uniformly structured film. Zirconium ions demonstrated a stronger affinity with zinc oxide, yielding an increased quantity of oxygen vacancies and ultimately enhancing the hydrophilicity of the film. Notably, when maintained at equivalent ratios, zirconium doping exhibited superior light transmission and degradation rates compared to hafnium doping. These characteristics were marked by light transmission rates surpassing 82%, accompanied by degradation rates that reached as high as 71%. In summary, this investigation presents an initial exploration of the structural attributes, properties, and catalytic effectiveness of zinc oxide nanofilms, under different doping and annealing temperature conditions.

Questo studio presenta un'indagine completa su diverse varianti di nano film di ZnO, comprendenti nano film di ZnO non drogati, nano film di ZnO drogati con afnio e nano film di ZnO drogati con zirconio. La sintesi di questi nano film è stata ottenuta attraverso la metodologia sol-gel, con wafer di silicio utilizzati come substrati. La morfologia strutturale, la composizione chimica, le proprietà ottiche e l'efficacia catalitica dei nano film sono state caratterizzate mediante diffrazione di raggi X, microscopia elettronica a scansione, microscopia a forza atomica e spettrofotometria UV-visibile. È stato osservato che l'innalzamento della temperatura di ricottura ha indotto un progressivo aumento della cristallinità dei film, aumentando contemporaneamente la dimensione dei grani, accompagnato da una riduzione della trasmittanza, con il nadir osservato a 550 °C (circa 80%). L'introduzione di ioni afnio ha portato a una riduzione della cristallinità, ma ha generato un notevole aumento della trasmittanza, un miglioramento della morfologia superficiale, una diminuzione della rugosità superficiale e una riduzione dei tassi di degradazione dei contaminanti. In particolare, un livello di drogaggio del 5% di afnio ha portato a una notevole riduzione della rugosità, quantificata da un valore RMS di 2,4, insieme a una trasmittanza superiore all'85%. Inoltre, un livello di drogaggio del 15% ha conferito una maggiore idrofilia alla superficie del film di ZnO, portando a una riduzione significativa dell'angolo di contatto, pari a 44°. A differenza del drogaggio dell'afnio, l'introduzione dello zirconio ha determinato una riduzione della dimensione dei grani, che ha portato a un film densamente compatto e dalla struttura uniforme. Gli ioni di zirconio hanno dimostrato una maggiore affinità con l'ossido di zinco, producendo una maggiore quantità di vacancies di ossigeno e, in definitiva, migliorando l'idrofilia del film. In particolare, se mantenuto a rapporti equivalenti, il drogaggio dello zirconio ha mostrato tassi di trasmissione luminosa e di degradazione superiori rispetto al drogaggio dell'afnio. Queste caratteristiche erano caratterizzate da tassi di trasmissione luminosa superiori all'82%, accompagnati da tassi di degradazione che raggiungevano il 71%. In sintesi, questa indagine presenta un'esplorazione iniziale degli attributi strutturali, delle proprietà e dell'efficacia catalitica dei nano film di ossido di zinco, in diverse condizioni di drogaggio e temperatura di ricottura