Deposition of Thin Films of Copper and Zinc Oxides on Various Substrates

Abstract

This study investigates the deposition, characterization, and antibacterial properties of ZnO, CuO, and ZnO/CuO thin films deposited on silicon and glass substrates by spray pyrolysis. The study focuses on the influence of substrate choice on structural, morphological, and functional film properties, particularly their antimicrobial efficacy against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). X-ray diffraction (XRD) analysis revealed that silicon substrates cause improved crystallinity and increased crystallite sizes (e.g., 42 nm for ZnO/Si compared to 28 nm for ZnO/glass), which are attributed to lattice matching and thermal conductivity of silicon. Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) revealed that silicon-grown films have more ordered nanostructures, e.g., hexagonal ZnO prisms and vertically aligned ZnO/CuO heterojunctions, which enhance surface area and interfacial charge transfer. Transmission electron microscopy (TEM) also facilitated the formation of core-shell structures that were well-defined in silicon-supported composites. Optical characterization showed silicon substrates to reduce bandgap energies (for example, 2.6 eV for ZnO/CuO/Si versus 2.8 eV for ZnO/CuO/glass), augmenting light absorption and reactive oxygen species (ROS) production. Antibacterial assays showed the ZnO/CuO bilayer on silicon had the highest inhibition zone (13 ± 0.85 mm) against MRSA, outranking glass-supported films due to synergistic mechanisms of ROS production, ion release, and nanoscale mechanical disruption. The findings illustrate the significance of selecting the correct substrate to optimize thin-film properties for use in antimicrobial materials. Silicon's ability to enhance crystallinity, morphology, and interfacial interactions renders it the ideal substrate for the synthesis of high-performance antibacterial films. This work provides valuable information for the design of new oxide-based materials for industrial and medical purposes. ------------------------------------------------------------------------------ تتناول هذه الدراسة ترسيب وتوصيف وخصائص الأفلام الرقيقة من أكسيد الزنك (ZnO) وأكسيد النحاس (CuO) والطبقات الثنائية منهما (ZnO/CuO) على ركائز من السيليكون والزجاج باستخدام تقنية التحلل الحراري بالرش. تركز الدراسة على تأثير اختيار الركيزة على الخصائص التركيبية والشكلية والوظيفية للأفلام، وخاصة فعاليتها المضادة للميكروبات ضد بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين (MRSA) . كشف تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن ركائز السيليكون تعمل على تحسين البلورية وزيادة أحجام البلورات (مثلاً 42 نانومتر لـ ZnO/Si مقارنة بـ 28 نانومتر لـ ZnO/الزجاج)، وذلك بسبب التطابق الشبكي والتوصيل الحراري للسيليكون. أظهرت مجهرية المسح الإلكتروني (SEM) ومجهرية القوة الذرية (AFM) أن الأفلام المترسبة على السيليكون تمتلك تراكيب نانوية أكثر انتظاماً مثل مواشير ZnO سداسية ووصلات غير متجانسة ZnO/CuO عمودية التوجه، مما يعزز المساحة السطحية ونقل الشحنات بين الطبقات. كما أكدت مجهرية النفاذ الإلكتروني (TEM) تكوين هياكل قلب-قشرة محددة جيداً في المركبات المدعمة بالسيليكون. بينت الدراسات البصرية أن ركائز السيليكون تقلل من طاقات فجوة النطاق (مثلاً 2.6 إلكترون فولت لـ ZnO/CuO/Si مقابل 2.8 إلكترون فولت لـ ZnO/CuO/الزجاج)، مما يعزز امتصاص الضوء وإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). أظهرت الاختبارات المضادة للبكتيريا أن الطبقة الثنائية ZnO/CuO على السيليكون حققت أكبر منطقة تثبيط (13 ± 0.85 ملم) ضد MRSA، متفوقة على الأفلام المدعمة بالزجاج بسبب الآليات التآزرية لإنتاج ROS، إطلاق الأيونات، والاضطراب الميكانيكي على المستوى النانوي. توضح النتائج أهمية اختيار الركيزة المناسبة لتحسين خصائص الأفلام الرقيقة للتطبيقات المضادة للميكروبات. تجعل قدرة السيليكون على تعزيز البلورية والبنية والتفاعلات بين الطبقات منه الركيزة المثالية لتصنيع أفلام مضادة للبكتيريا عالية الأداء. توفر هذه الدراسة معلومات قيمة لتصميم مواد جديدة قائمة على الأكاسيد للأغراض الطبية والصناعية. -------------------------------------------------------------------------- Cette étude porte sur la synthèse, la caractérisation et les propriétés antibactériennes de films minces de ZnO, CuO et ZnO/CuO déposés sur des substrats en silicium et en verre par pyrolyse en spray. L’étude se concentre sur l’effet du choix du substrat sur les propriétés structurales, morphologiques et fonctionnelles des films, en particulier leur efficacité antimicrobienne contre Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM). La diffraction rayons X (DRX) a prouvé que les substrats silicium améliorent la cristallinité et les taille des cristallites (par exemple, 42 nm pour ZnO/Si mais pas 28 nm pour ZnO/verre) et est attribuée à la cohérence du réseau et conductivité thermique du silicium. La microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie à force atomique (AFM) ont prouvé que les films cultivés sur silicium possèdent des nanostructures plus régulières, telles que des prismes hexagonaux de ZnO et des hétérojonctions ZnO/CuO verticales allignées, qui améliorent la surface active et le transfert de charge interfaciale. La microscopie électronique en transmission (MET) a confirmé la formation de structures cœur-coque bien définies dans les composites sur silicium. The optical caractérisation has proven that the silicium substrates reduce the interband energies (e.g., 2.6 eV for ZnO/CuO/Si compared to 2.8 eV for ZnO/CuO/glass), which improves the luminescence absorption and the yield of oxygen reactive species (ROS). Les tests antibactériens ont démontré que la couche bilame ZnO/CuO sur silicium présentait la plus vaste zone d'inhibition (13 ± 0,85 mm) vers le SARM, supérieure aux films sur verre en raison des mécanismes synergiques de production de ROS, libération d'ions et perturbation mécanique à l'échelle nanométrique. Ces résultats soulignent l'importance du choix du substrat pour optimiser les propriétés des couches minces destinées aux applications antimicrobiennes. La capacité du silicium à améliorer la cristallinité, la morphologie et les interactions interfaciales en fait un substrat idéal pour le développement de films antibactériens hautes performances. Ce travail fournit des informations précieuses pour la conception de nouveaux matériaux à base d'oxydes destinés aux applications médicales et industrielles.