مقاله تأثیر پارامترهای آندیزاسیون بر طیف فوتولومینسانس سیلیکان متخلخل

بخشی از مقاله

چکیده - در این کار تأثیر چگالی جریان و مدت زمان آندیزاسیون به عنوان دو پارامتر آندیزاسیون بر روي ساختار تخلخلی پایههاي سیلیکان تککریستالی نوع-p و طیف فوتولومینسانس مربوط به آنها بررسی شد. افزایش چگالی جریان و همچنین مدت زمان آندیزاسیون باعث افزایش تخلخل نمونهها گردید. همچنین طیف فوتولومینسانس نمونهها نیز با افزایش چگالی جریان و مدت زمان آندیزاسیون، به سمت انرژيهاي بالا جابه جا شد. به بیان دیگر پیک طیف فوتولومینسانس که بیانگر انرژي نوار گاف است، با افزایش تخلخل به سمت انرژي هاي بالا میل کرد که این در توافق با مدل محدودیت کوانتومی است.

کلید واژه: آندیزاسیون، تخلخل، فوتولومینسانس

-1  مقدمه

نیمرساناها با امواجی در بازه ي طیفی0/1-1000μm برهمکنش میکنند. در نواحی نزدیک فرابنفش، مرئی و مادون قرمز 0/4-5 μm پدیده غالب، جذب در نوار گاف و ناخالصی ها می باشد. تحت شرایط خاص، این پدیده منجر به فوتولومینسانس می شود. برانگیختگی الکترونها توسط جذب اپتیکی را فوتولومینسانس می گویند. اهمیت فوتولومینسانس براي اندازه گیري نوار گاف در کارهاي Wagner در سال 1984 روشن شد.[1]

اگرچه کشف سیلیکان متخلخل توسط آندیزاسیون الکتروشیمیایی ویفر سیلیکان در اسید هیدروفلوئوریک حدود پنجاه سال پیش رخ داده، ولی بسیاري از مطالعات مؤثر روي سیلیکان متخلخل از وقتی شروع شدند که طیف فوتولومینسانس مرئی در دماي اتاق از این ماده توسط Canham در سال[2] 1990 کشف شد.

انواع تکنیک هاي طیف سنجی براي فهمیدن ساختار و خواص اپتیکی سیلیکان متخلخل مورد استفاده قرار می گیرند، مانند طیف سنجی فوتولومینسانس، پراش اشعه X، SEM و طیف سنجی رامان.[3] لومینسانس موثر سیلیکان متخلخل از نزدیکی ناحیه ي فروسرخ تا ناحیه ي آبی طیف مرئی گسترده شده است. نشر نور قرمز در نمونه هایی که تازه رشد کرده اند مشاهده می شود در حالی که لومینسانس آبی تنها در سیلیکان متخلخل اکسید شده دیده می شود. در مورد منشأ لومینسانس، اکثریت بر این عقیده اند که لومینسانس سیلیکان متخلخل ناشی از محدودیت کوانتومی حامل ها در سیم هاي سیلیکان بلوري است. به هر حال طبق گزارشات، محدودیت کوانتومی به تنهایی نمی تواند جابجایی به سمت قرمز طیف فوتولومینسانس نمونه هاي با لومینسانس آبی که داراي حفره ها یی کوچکتر از 3 nm هستند را توضیح دهد[4] ، بنابراین اثر پوشش سطحی - مانند اکسیژن و یا ناخالصی ها - نیز در نظر گرفته می شود.

براي اندازه ي بزرگتر از 2/9 nm ، مکانیزم فوتولومینسانس از طریق محدودیت کوانتومی قابل فهم است. در نانو کریستالهاي با اندازه کوچکتر، ~ 1/9nm< ~2/9nm، اثر جفت گیري شامل یک حفره ي آزاد و یک الکترون بدام
انداخته شده، اثر کم اثر پذیري سطح ظاهر می شود. وقتی اندازه ي بسته ها کوچکتر از1/9 nm می شود، اثر کم اثر پذیري سطح غالب شده و یک جابجایی به سمت قرمز  - Red shift - بزرگی را در طیف فوتولومینسانس نتیجه می
دهد.[5]

عوامل مختلفی روي پیک فوتولومینسانس ناشی از سیلیکان متخلخل تأثیر می گذارند. یکی از این عوامل شرایط آندیزاسیون سیلیکان است. چگالی جریان آندیزاسیون و مدت زمان خوردگی، دو مورد از شرایط آندیزاسیون هستند که روي طیف فوتولومینسانس تأثیر می گذارند. افزایش چگالی جریان و همچنین مدت زمان باعث افزایش تخلخل می شود و افزایش تخلخل نیز باعث افزایش انرژي پیک فوتولومینسانس می شود. که ماهم در این کار اثر این دوعامل را روي طیف فوتولومینسانس مربوط به سیلیکان متخلخل بررسی کردیم.[2]

ساخت نمونه

در این کار از سیلیکان تک کریستالی نوع-p آلایش شده با بورون، مقاومت 0/3- 0/4Ω.cm، جهت بلوري - 100 - ، ابعاد 12×12 cm2 با ضخامت 0/4 mm استفاده کردیم. به منظور یکنواخت شدن تخلخل، یک لایه ي اهمی از آلومینیوم با ضخامت 1/5-2μm با روش تبخیر قوس الکتریکی در خلأ 10 -5 mbar در یک طرف نمونه نشانده شد. سپس براي بازپخت به منظور نفوذ بهتر لایه ي اهمی، به مدت 24 ساعت در مقابل لامپ معمولی قرار گرفت. ویفر توسط اره الماس به قطعات 1/5×1/5 cm-2 بریده شد. سپس نمونه ها در سه مرحله شستشو توسط استون، اتانول و آب مقطر تمیز شدند. یک سیم مسی به ضخامت 0/7 mm توسط چسب نقره به طرف آلومینیوم چسبانده شد و پس از خشک شدن آن، کل سطح آلومینیوم را با واکس ضد اسید پوشاندیم. محلول الکترولیت براي عمل آندیزاسیون حاوي - %40 - HF، اتانول و آب مقطر با درصد وزنی - 1:1:1 - بود و عمل آندیزاسیون درون یک سلول الکتروشیمیایی از جنس تفلون انجام گرفت. سیلیکان به عنوان قطب مثبت - آند - و یک ورقه ي پلاتین با ابعاد 1/5× 1/5 cm-2 و ضخامت 1mm به عنوان قطب منفی - کاتد - در فاصله ي 1cm بطور موازي از آن بکار گرفته شد. به منظور بررسی اثر چگالی جریان بر
طیف فوتولومینسانس، چگالی جریان هاي 30 mA/cm2 و40 mA/cm2 با مدت زمان آندیزاسیون یکسان20 دقیقه، و به منظور بررسی اثر مدت زمان آندیراسیون، چگالی جریان 20 mA/cm2 با زمان هاي 20 دقیقه و 40 دقیقه بکار گرفته شدند. طریقه ي گرفتن طیف فوتولومینسانس در شکل-1 نمایش داده شده است. لازم به ذکر است که کلیه ي این وسایل در یک محفظه ي بسته قرار داشتند تا اثر نور زمینه را از بین ببریم. وسایل مورد استفاده در گرفتن این طیف، لامپ جیوه، فیلترهاي رنگی از شرکت MELLES GRIOTو لوکس متر به عنوان دتکتور بودند.دستگاه لایه نشانی از شرکت EDWARDS میباشد.
 
شفافیت - 63/82، - 64/04% - 540nm، - 58/05% - 550nm، - 55/06% - 580nm و - 62/23% - 600 nm بوده است.

در شکل-2، اثر مدت زمان آندیزاسیون بر طیف فوتولومینسانس در قسمتهاي - الف - و - ب - و اثر چگالی جریان بر روي آن در قسمت هاي - ج - و - د - نشان داده شده است. طبق آن در قسمت هاي - الف - و - ب - ، با افزایش مدت زمان خوردگی، طیف فوتولومینسانس به سمت انرژي هاي بالا جابجا می شود. به بیان دیگر انرژي پیک از - 570nm -    2/18ev    براي  نمونه  ي  S1 t=20min - و - J=20 mA/cm2 به - 565 nm - 2/20 ev براي نمونه ي t=40min - S2و - J=20 mA/cm2 رسید. طبق قسمت هاي - ج - و - د - شکل-2، با افزایش چگالی جریان انرژي پیک از - 567 nm - 2/19 ev براي نمونه ي S3 t=20min - و - J=30 mA/cm2 به - 563 nm - 2/21ev براي نمونه ي t=20min - S4و - J=40 mA/cm2 افزایش یافت.

جدول-1 مشخصات طیفی نمونه هاي متخلخل با شرایط مختلف
شکل-:1 شکل شماتیک گرفتن طیف فوتولومینسانس

نتایج و بحث

در جدول-1، تخلخل نمونه هاي متخلخل شده و مکان پیک فوتولومینسانس مربوط به آنها آمده است. درصد تخلخل نمونه ها با استفاده از روش وزن سنجی به صورت زیر تعیین شدند:

که در آن m1 جرم سیلیکان قبل از تخلخل، m2 جرم سیلیکان بعد از تخلخل و m3 جرم آن بعد از حل کردن لایه ي متخلخل در محلول NaOH می باشد.[6]