بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه تأثیر آلایش آلومینیوم بر ویژگیهای ساختاری و اپتیکی لایه ZnO بررسی شد. لایه آلایش شده چندبلور با ساختار ششگوشی ورتزایت است. آلایش آلومینیوم نقصهای ذاتی ZnO را از بین میبرد و در نتیجه شفافیت نوری را تا % 90 افزایش میدهد. بررسی مشخصه I-V در تاریکی و تحت تابش فرابنفش برای دو لایه Al:ZnO بر روی لایه بافر و بر روی شیشه نشان داد که استفاده از لایه بافر باعث افزایش جریان نوری میشود.
مقدمه
ZnO یکی از امیدبخشترین مادهها برای ساخت قطعات اپتوالکترونیک است. گاف نواری پهن 3/37 eV و انرژی بستگی اکسیتونی بزرگ 60 meV، زیست سازگاری و مقرونبهصرفه بودن باعث قابلیت کاربرد این ماده بهعنوان آشکارساز نوری فرابنفش شده است. آشکارسازهای نوری فرابنفش به علت کاربردهای فراوانشان در صنایع نظامی و غیرنظامی موردتوجه قرارگرفتهاند. این آشکارسازها در دستگاههای اندازهگیری تابش فرابنفش خورشیدی، تحقیقات فضایی، آشکارسازی موشکها در مراحل اولیه پرتاب، نجوم و بیولوژیکی کاربرد دارند .[1] آلایش ZnO با
عناصر مختلف با هدف بهبود رسانایی الکتریکی بهمنظور استفاده در وسایل اپتوالکترونیک گزارش شده است .[2] آلایش آلومینیوم به دلیل مقرونبهصرفه بودن و غیر سمی بودن پیشنهاد شده است. زیرلایه در کیفیت رشد نقشی مؤثر داشته که نمیتوان آن را نادیده گرفت. اگر زیرلایهای که برای رشد مورد استفاده قرار میگیرد، ثابتهای شبکهای در حدود ثابتهای شبکه بلور ZnO داشته باشد، رشدی همبافته و منظم ایجاد خواهد شد. اکثر زیرلایههای مورد استفاده در کاربردهای وسایل اپتوالکترونیکی همچون شیشه، فاقد نظم شبکهای مناسب هستند. این مشکل را میتوان از طریق نشاندن لایه نازکی معمولاً از جنس ماده موردنظر و ایجاد جایگاه-
های مناسب جهت رشد بلور روی زیرلایه، بهبود بخشید .[3] در این مقاله تأثیر آلایش آلومینیوم بر ویژگیهای ساختاری و اپتیکی لایه 1Al:ZnO تهیه شده به روش افشانه داغ بر روی زیرلایه شیشه بررسی شده و سپس طراحی و ساخت آشکارساز UV بر پایه لایه نازک Al:ZnO بر روی لایه بافر ZnO گزارش شده است.روش آزمایش
در ابتدا لایه بافر ZnO با روش شیمیایی افشانه داغ بر روی زیرلایه شیشه در دمای 480œC لایهنشانی شد. محلول استفاده شده 0/2 مولار زینک استات دی هیدرات است که با نسبت 3 به 1 به ترتیب در متانول و آب دیونیزه حل شد. چند قطره اسید استیک برای جلوگیری از تشکیل هیدروکسید روی به محلول اضافه شد.برای تهیه لایه Al:ZnO از آلومینیوم کلرید بهعنوان منبع آلایش استفاده شد. درصد آلایش آلومینیوم % 0/5 انتخاب شد. لایهAl:ZnO در دمای 480œC بر روی لایه بافر و بر روی شیشه لایه نشانی شد. از هوای فشرده بهعنوان گاز حامل استفاده شد و سایر پارامترهای لایه نشانی مانند فاصله نازل تا زیرلایه - 30 cm - ، غلظت محلول اولیه - 0/2 M - ، دمای زیرلایه - 480œC - و درجه اسپری محلول اولیه - - 3 بهینه شدند. زیرلایه شیشه به ترتیب با متانول و آب دیونیزه شستشو داده شد تا آلودگیها از سطح زیرلایه برطرف شود. ساختار بلوری توسط سیستم پراش پرتوایکس - Stoe-Germany-Study MP - و - Cu Kα, 1.54 Å - اندازهگیری شد. طیف عبور نوری لایهها در محدوده طولموج 350-1100 nm با دستگاه - T70 UV/VIS Spectrometer PG Instruments Ltd - اندازهگیری شد. طیف نورتابی لایهها با تحریک در طولموج nm 350 و با استفاده از اسپکترومتر Perkin Elmer LS 55 Luminescence Spectrometer اندازهگیری شد.از اتصال نقطهای فلز نقره بهعنوان الکترود استفاده نمودیم. برایبررسی رسانایی نوری لایهها، مشخصه جریان- ولتاژ - I-V - لایههادر تاریکی و تحت تابش فرابنفش با لامپ فرابنفش که با طولموج 352 nm و تحت بایاس -10 - v - تا 10 - v - توسط دستگاهKeithley Source meter 2400 اندازهگیری شد.
نتایج و بحث مشخصات ساختاری
نشان میدهد که هر دو لایه چندبلور2 با ساختار ششگوشهورتسایت با جهت ارجح - 002 - هستند. در الگوی پراش لایه Al:ZnO هیچ فاز اضافی دیگری مشاهده نمیشود. ثابتهایشبکه هگزاگونال a و c از روی موقعیت قلهها با استفاده از رابطه - 1 - و اندازه بلورکها توسط رابطه شرر - 2 - محاسبه شدند. همانطور که در جدول - 1 - مشاهده میشود ثابتهای شبکهبهدستآمده در توافق خوبی با ثابتهای شبکه کارت JCPDS - 36-1451 - میباشند. آلایش آلومینیوم موجب کاهش اندازهبلورکها میشود که این میتواند به دلیل اندازه شعاع یونیکوچکتر آلومینیوم - - 0/54$ نسبت به شعاع یونی روی - 0/74$ - باشد .[4]شکل :2 الگوی پراش پرتو X لایههای ZnO و Al:ZnO
جدول :1 ثابتهای شبکه و اندازه بلورکها
شکل - 2 - الگوی پراش پرتوایکس را برای لایه ZnO و Al:ZnO
رشد داده شده بر روی زیرلایه شیشه نشان میدهد. الگوی XRD
ویژگیهای اپتیکی
شکل - 3 - طیف عبور نوری در دمای اتاق را برای لایه آلایش شده و بدون آلایش در گستره 370-1100 nm نشان میدهد.همانطور که ملاحظه میشود هر دولایه از شفافیت خوبیبرخوردارند. مقایسه طیف عبور لایهها نشان میدهد که لایه آلایششده عبور نوری بالاتری نسبت به لایه بدون آلایش دارد - بالای. - 90% بهبود عبور نوری میتواند به دلیل کاهش نقصهای ذاتی مانند جای خالی اکسیژن و اتمهای بین جایگاهی روی باشد که موجب کاهش جذب نور مرئی میشود. یک لبه جذب در طولموج حدود 375 nm مشاهده میشود که مربوط به جذب در
انرژی گاف است .[5] با افزودن آلایش، لبه جذب به سمت طول- موجهای کوتاهتر میرود. در توافق با اثر Burstein-Moss شیف آبی به معنای افزایش چگالی حاملهای بار است.[6]
شکل :3 طیف عبور نوری لایههای ZnO و Al:ZnO
شکل - 4 - طیف نورتابی را برای لایههای ZnO و Al:ZnO در
دمای اتاق و تحریک در طولموج 350 nm نشان میدهد. همان-طور که مشاهده میشود لایه ZnO دارای دو قله گسیل است. قله در ناحیه فرابنفش در طولموج حدود 375 nm قرارگرفته که به
دلیل بازترکیب اکسیتونهای مقید است و متناظر با انرژی گاف می باشد. درحالیکه قله گسیل در ناحیه مرئی - متناظر با طولموجسبز - مربوط به نقصهای ذاتی نظیر جای خالی اکسیژن و بین
جایگاهی روی است که ترازهای عمیق در گاف نواری را شکل میدهند. در لایه آلایش شده تنها یک قله در ناحیه فرابنفش مشاهدهمیشود. عدم حضور قله در ناحیه مرئی در لایه آلاییده شده نشان میدهد که اتمهای Al در حین لایه نشانی نقصهای ذاتی را از بین میبرند .[7]
شکل :4 طیف نورتابی لایههای ZnO و Al:ZnO
رسانایی نوری برای بررسی قابلیت کاربرد لایهها در آشکارساز نوری فرابنفش، رسانایی نوری لایهها را بررسی کردیم. شکل - 5 - مشخصه جریان- ولتاژ نمونهها را در تاریکی و تحت تابش فرابنفش نشان میدهد. بهطورکلی جریان نوری نسبت به جریان تاریک افزایش یافته است. در تاریکی اکسیژن موجود در محیط جذب سطح لایه میشود و یک الکترون آزاد از اکسید روی با رسانندگی نوع n را به دام می-اندازد که باعث ایجاد یک لایه تهی با رسانندگی کم، نزدیک سطح لایه میشود. این اثر در لایههایی که از نانوبلور تشکیل شده باشد برجستهتر است، زیرا سطح لایه در نانوبلور بیشتر است و ناحیه تهی ممکن است کل حجم لایه را در برگیرد؛ اما همانطور که در شکل نشان داده شده است زمانی که لایه تحت تابش فوتونهایی با انرژی بیشتر از انرژی گاف قرار میگیرد، با جذب فوتون جفتهای الکترون- حفره تولید میشوند. حفرههای تولید شده به سمت سطح حرکت کرده و اکسیژنهایجذبشده را خنثی میکنند. اکسیژن خنثیشده از سطح واجذب میشود و باعث افزایش غلظت حاملهای آزاد و همچنین کاهش
لایه تهی در نزدیک سطح میشود .
