بخشی از مقاله
چکیده - اکسید روي مادهاي جذاب با طیف گستردهاي از خواص و کاربردهاي مختلف از قبیل سلولهاي خورشیدي، سنسورهاي الکترومکانیکی، سنسورهاي گاز و ... میباشد. در این مقاله نانوسیمهاي ZnO بر روي بستر سیلیکونی معمولی و بستر نانوساختار رشد داده شدهاند.
نانوساختارهاي بستر سیلیکونی به شکل نانوخار بوده و با استفاده از فرآیند زدایش فاز پلاسما ایجاد شدهاند. براي سنتز نانوسیمهاي اکسید روي، از روش سنتز هیدروترمال استفاده میشود. مقایسه تصاویر میکروسکوپ الکترونی نانوسیمهاي اکسید روي سنتز شده بر روي بستر سیلیکونی معمولی و بستر نانوخار نشاندهندهي تفاوت آشکار در فرایند رشد میباشد که از آن جمله به ناهمواري سطح و تفاوت در یکنواختی رشد روي این دو بستر میتوان اشاره کرد. در این مقاله حساسیت نانوسیمهاي ZnO رشد داده شده بر روي این دو نوع بستر، نسبت به گاز اتانول مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از تست نشان میدهد که نانوسیمهاي ZnO رشد دادهشده روي بسترهاي نانوخار سیلیکونی نسبت به
بسترهاي معمولی از حساسیت بالاتري برخوردارند و میتوانند گاز اتانول را در دماهاي پایینتر آشکار کنند، همچنین داراي زمان پاسخدهی کوتاهتري میباشند، بنابراین استفاده از بسترهاي سیلیکونی نانو ساختار نسبت به معمولی عملکرد سنسوري گاز نانوسیمهاي ZnO را ارتقا
میبخشد.
کلیدواژه- سنتز هیدروترمال، سنسور گاز اتانول، نانوخارهاي سیلیکونی، نانوسیمهاي اکسید روي.
-1 مقدمه
در علم مواد، اکسید روي به عنوان یک نیمه هادي مرکب از گروه 2 و 6 جدول تناوبی طبقه بندي می شود که شکاف باند آن در مرز بین نیمه هادي هاي یونی و کووالانسی قرار دارد. ZnO
داراي انرژي شکاف باند 3/37eV و با انرژي باند تهییج بالا - حدود - 60meV است و همچنین از پایداري حرارتی و مکانیکی در دماي بالا برخوردار است که آن را به یک مادهي جذاب با حوزه هاي کاربردي متنوعی در زمینه هاي الکترونیک، الکترونیک نوري و فناوري لیزري، الکتروشیمی و الکترومکانیکی مانند قطعات گسیل کنندهي میدان، دیودهاي نوري، لیزرهاي فرابنفش، نانو حسگرهاي با کارایی بالا، سلول هاي خورشیدي، نانو ژنراتورهاي پیزوالکتریک و نانوپیزوترونیک تبدیل کرده است.[1]
رسانایی فیلم نازك اکسید روي به نوع گاز هایی که در معرض آن ها قرار می گیرد بسیار حساس است. نانوساختارهاي ZnO به طور گسترده براي آشکارسازي محدوده وسیعی از گازهاي مختلف، ازجمله اتانول، NH3، H2O، CO، CO2، H2، H2S، O2، NOx و LPG بکار گرفته شده اند.[4 ,3] اتانول یکی از مهم ترین انواع الکل است که به طور گسترده اي در انواع محصولات و فرایندهاي صنعتی استفاده میشود. از بین انواع گازهاي شیمیایی، آشکارسازي اتانول به دلیل اهمیت بالاي اقتصادي آن حائز اهمیت است؛ بنابراین نیاز به توسعه ي سنسورهایی که قابلیت آشکارسازي آن را دارند احساس می شود.[5] اخیراً از میان انواع نانوساختارهاي اکسید روي، ساختارهاي یک بعدي1 شامل نانوسیم ها و نانومیله ها به دلیل داشتن مورفولوژي مناسب، انتقال و برانگیختگی مؤثر الکترون ها، نسبت سطح به حجم بالا، پایداري شیمیایی و گرمایی بالا با حداقل مصرف انرژي و وزن کم، بیشتر موردتوجه قرارگرفتهاند.[6]
زدایش عمیق سیلیکون با یون هاي فعال - DRIE - 2 به عنوان یک هدف براي ساخت قطعات MEMS توجه زیادي را به خود جلب کرده است که اجازه ي ایجاد ساختارهاي عمودي بر روي بسترهاي سیلیکونی را می دهد.[7] سیلیکون سیاه یا نانوخارهاي سیلیکونی اولین بار به عنوان اثر جانبی ناخواسته در پروسه زدایش فاز پلاسما با یون هاي واکنش پذیر - RIE - کشف شدند.
نانوخارهاي سیلیکونی داراي کاربردهاي متنوعی ازجمله
فلشمه
سلول هاي خورشیدي، ترانزیستورهاي اثر میدانی، سنسورهاي الکتروشیمیایی، افزایش سطح مؤثر در سنسورهاي گاز و زیستی و ... است.[9 ,8]
در این مقاله حساسیت سنسورهاي مبتنی بر نانوسیم هاي ZnO نسبت به گاز اتانول را موردبررسی قرار دادهایم.
نانوسیم هاي ZnO بر روي دو نوع بستر سیلیکونی ساده و نانوخار با استفاده از روش هیدروترمال رشد داده شده، سپس پاسخ این نانوسیمها نسبت به گاز اتانول با یکدیگر مقایسه گردیدهاند.
-2 روش ساخت و سنتز
در این تحقیق از روش سنتز هیدروترمال براي رشد نانوسیم هاي ZnO استفاده شده است. این نانوسیم ها بر روي دو نوع بستر سیلیکونی معمولی و نانوخار رشد داده شده اند. براي ایجاد نانوخارها بر روي بسترهاي سیلیکونی از پروسه ي RIE استفاده می شود. در ادامه به شرح روش هاي ایجاد نانوخارهاي سیلیکونی و رشد نانوسیمهاي ZnO میپردازیم.
-1-2 ایجاد نانوخارهاي سیلیکونی
شکل گیري نانوخارهاي سیلیکونی با پروسه زدایش پلاسمایی سیلیکون و در پلاسماي RF با فرکانس 13/56MHz انجام میگیرد. این نانوخارهاي سیلیکونی با تغییر در پروسه DRIE ایجاد میشوند.[11 ,10 ,7]
اخیراً براي زدایش فاز پلاسماي سیلیکون پروسه اي ابداع گردیده که بدون نیاز به تجهیزات پیچیده و گرانقیمت، امکان دستیابی به ساختارهاي میکرو و نانومتري با نسبت منظر بالا را در دماي اتاق ایجاد می کند. این پروسه با نام HDRIE1 مشابه روش بوش، از دو مرحلهي غیرفعال سازي سطح و زدایش تشکیل شده است که به صورت متناوب تکرار می شوند. در مرحله ي غیرفعال سازي از پلاسماي مخلوط گازهاي O2، H2 و SF6 با شرایط مناسب استفاده می شود. درحالی که مرحله ي زدایش در حضور گاز SF6 و شرایط پلاسماي مناسب انجام می گردد. شکل1 فازهاي مختلف پروسه زدایش عمودي سیلیکون را نشان میدهد.[12]
شکل :1 طرح کلی پروسه زدایش سیلیکون با استفاده از دو مرحله ي غیرفعال سازي و زدایش - a -
محافظت از دیوارهها در طول مرحله غیرفعال سازي - b - مرحله زدایش با گاز .[12] SF6
همان گونه که ذکر شد، تشکیل نانوخارها یک اثر جانبی ناخواسته در پروسه هاي زدایش DRIE براي ایجاد ساختارهاي با نسبت منظر بالا است، بااین حال با تنظیم فرایند زدایش عمودي سیلیکون می توان ساختارهایی در مقیاس هاي میکرو و نانومتري با نسبت منظر بالا را تولید کرد. از سوي دیگر، با استفاده از دبی2 مناسب گازها در طول مرحله ي غیر فعالسازي و زدایش، میتوان نانوساختارهاي عمودي یا به شکل اسپاگتی با طول 2-3µm و
پهناي 30-100nm و با نسبت منظر 50 بر سطح سیلیکون بدست آورد. براي چنین ساختارهایی، در مرحله غیرفعال سازي پلاسماي گازهاي O2 و H2 به ترتیب با دبی برابر با 50 و 100SCCM3 به همراه مقدار اندکی از گاز SF6، با توان 150W و به مدت 50Sec به قطعه اعمال می شود . درحالی که در مرحله ي زدایش، پلاسماي گاز SF6 با دبی بین 10-35 SCCM و با توان 130W به مدت 10 Sec به نمونه اعمال میگردد..[13 ,12]
تشکیل نانوخارها می تواند ناشی از باقی ماندن بخش هایی از لایه ي غیر فعال ساز بر روي سطح سیلیکون باشد که در طول مرحله ي غیر فعال سازي شکل می گیرد. چنین لایه اي براي حفاظت دیواره ها از زدایش در طول مرحله ي زدایش بکار می رود.
لایه محافظ باقی مانده در مرحله ي غیر فعال سازي سطح، از سیلیکون زیرین در مرحله ي زدایش محافظت می کند و منجر به شکل گیري نانوخارهاي سیلیکونی می شود. شماتیک کلی این رویداد در شکل 2 مشاهده میشود، همچنین در قسمت - c - از
فهشمه
این شکل، تصویر SEM این نانوخارها نشان داده شده است.
شکل:2 نانوخارهاي سیلیکونی، - a - باقیماندهي لایهي محافظ بر روي سطح سیلیکون در مرحلهي غیر فعال سازي سطح، - b - باقیمانده ي لایه محافظ در مرحلهي غیر فعالسازي سطح، از سیلیکون زیرین در مرحلهي زدایش محافظت میکند. - - c تصویر SEM اي از نانوخارهاي سیلیکونی.
-2-2 رشد نانوسیمهاي ZnO
در این مقاله بسترهاي سیلیکونی مورد استفاده از نوع - 100 - p-type و با مقاومت 1-5 Ωcm میباشند. بعد از تمیز کردن بسترها با محلول RCA#1 که حاوي - NH4OH:H2O2:H2O,1:1:5 - می باشد، به یکی از این بسترها پروسه ایجاد نانوخار که شرح داده شد، اعمال میگردد. سپس بر روي هر دو بستر سیلیکونی ساده و نانو خار، اکسید سیلیکون به ضخامت 100nm به صورت حرارتی رشد داده می شود. این بسترها، به عنوان زیر لایه براي رشد نانوساختارهاي اکسید روي مورد استفاده قرار میگیرند. مواد مورداستفاده در سنتز نانوسیمهاي ZnO عبارتاند از: نیترات روي 5 آبه - N2O2Zn*5H2O - ، استات روي 2 آبه - - CH3COO - Zn*2H2O - ، هگزا متیلن تترامین - C6H12N4 - ، اتانول مطلق، متانول %99 ، استن و آب دیونیزه. - همه مواد مورداستفاده ساخت شرکت مرك آلمان هستند - .
در این مقاله نانوسیمهاي ZnO با استفاده از فرایند هیدروترمال ایجاد میشوند.[15-14] در روش سنتز هیدروترمال، ابتدا با استفاده از محلول اتانولی استات روي1، لایه ي بذريZnO 2 بر روي بستر موردنظر ایجاد میشود، به این صورت که ابتدا دو نوع بستر سیلیکونی معمولی و نانوخار، در حمام هاي استون، اتانول و آب مقطر تمیز میشوند. سپس با استفاده از محلول اتانولی استات روي، لایه ي اولیه ZnO روي سطح ایجاد میشود. براي این منظور، محلول 0/05M استات روي حل شده در اتانول مطلق آماده و با کمک مگنت هم زده میشود تا محلولی یکنواخت به دست آید. بسترها با روش لایه نشانی چرخشی3 با سرعت 2500rpm به مدت 10sec با محلول
1Zinc acetate dihydrate - CH3COO - Zn*2H2O 2Seed layer 3Spin coating آماده شده پوشش داده می شوند. به منظور بهبود کیفیت لایه بذري، این مرحله چهار بار تکرار میگردد و بعد از هر بار لایهنشانی، بسترها در دماي 250°C خشک میشوند. بدین ترتیب بر روي زیرلایهها فیلم نازکی از استات روي ایجاد میگردد. در مرحلهي بعد، نمونه ها داخل کوره در دماي 400°C به مدت 60 دقیقه قرار می گیرند که در این مرحله لایه بذري اولیه، به جزیره هایی از ZnO تبدیل میشود. این جزیرهها جایگاه هایی براي رشد نانوسیم هاي اکسید روي در مرحله بعد می باشند. در ادامه محلول آبی نیترات روي4 و متیل امین5 با غلظت 0/035M و نسبت مولی یکسان تهیه شده و زیرلایههاي بذري به مدت چهار ساعت در دماي 90°C درون این محلول قرار داده می شوند تا واکنش شیمیایی بین محلول و بذر ها انجام گیرد. پس از اتمام واکنش، نمونه ها از داخل محلول خارج شده و با آب دیونیزه شسته میشوند. در این مرحله براي بهبود ساختار بلوري ZnO و حذف آلودگی هاي آلی و غیر آلی بهجامانده از واکنش، زیرلایهها در دماي 400°C به مدت 30 دقیقه حرارت داده میشوند.
-3 نتایج و بحث
-1-3 نتایج حاصل از سنتز نانوسیمهاي ZnO
در این تحقیق براي ایجاد نانوخارهاي سیلیکونی از اصلاح پروسه RIE6 استفاده شده است. مورفولوژي کلی نانوسیم هاي سنتز شده به وسیله ي دستگاه میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی7 مورد مطالعه قرار گرفت. سنتز نانوسیمهاي ZnO بر روي دو نوع بستر سیلیکونی معمولی و نانوخار به صورت همزمان در شرایطی کاملاً یکسان و با محلول هاي مشابه انجام شده است. با استفاده از فرآیند رشد هیدروترمال با غلظت محلول 0/035M،
نانوسیم هایی با طول هایی در بازه 0/5 تا 1 میکرومتر و قطرهایی در حدود 100 تا 200 نانومتر رشد یافتند.
شکلهاي 3 و 4 به ترتیب، تصاویرنانوسیمهاي رشد داده شده بر روي بسترهاي سیلیکونی معمولی و نانوخار را نشان می دهند. همان گونه که در شکل 3 مشاهده می شود، نانوسیم هاي ZnO به صورت منظم روي بستر سیلیکونی ساده رشد کرده اند، درحالی که در شکل 4 رشد نانوسیم ها روي بستر
فمشمه
