بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی خواص اپتیکی لایه هاي نازك اکسید روي با %3 از ناخالصی هاي Ga، In و Al به روش اسپري پایرولیزیز روي زیر لایه شیشه تهیه شده است پرداخته ایم. اندازه گیریهاي طیف عبوري نشانگر آن است که طیف عبوري مربوط به نمونه آلایش شده با Al بیشترین و نمونه آلایش شده با In کمترین میزان عبور را در ناحیه مرئی داراست. همچنین با توجه به محاسبات انجام شده مبتنی بر مدلهاي فیزیکی شناخته شده دریافتیم: - الف - گاف نواري در این ماده که به صورت مستقیم می باشد با وارد کردن ناخالصی از 3/18 به 3/32 الکترون ولت افزایش می یابد؛ - ب - عرض دنباله نواري، متناظر با انرژي اورباخ، در محدوده 400 تا 200 meV تغییر می کند.
مقدمه
اکسید روي - ZnO - یک نیمرساناي نوع n با گاف نواري مستقیم و پهن، 3/3 eV در دماي اتاق، است. یک لایه نازك از این ماده از رسانندگی الکتریکی و شفافیت نسبتا بالا در ناحیه مرئی به طور همزمان برخوردار است. این مادهه بخاطر این ویژگی ها ب عنوان الکترود شفاف در قطعات فوتو ولتایی ، آینه هاي گرمایی، سنسورهاي فشاري و سنسورهاي گازي مورد استفاده قرار گرفته شده است
لایه هاي نازك ZnO با روش هاي مختلفی از قبیل بخار شیمیایی ، تبخیر حرارتی درخلا، اسپري پایرولیزیز، اسپاترینگ و سل- ژل قابل لایه نشانی است. در این میان روش اسپري پایرولیزیز به علت سادگی، ارزان بودن و قابلیت لایه نشانی بر روي سطوح بزرگ بسیار مورد توجه است
این ماده معمولا در شرایط پس از رشد به علت عدم تناسب عنصري داراي نواقص بلوري بوده و این نواقص غالبا در نقش مراکز شبه بخشنده عمل می کنند داراي رسانندگی توع n است. به منظور کنترل رسانندگی لایه هاي نازك از این ماده بایستی از ناخالصی مناسب سود جست.
از ناخالصی هاي ممکن براي این مقصود می توان از عناصر گروه III شامل In ، Gaکمکو Al گرفت. به این طریق هر یون اتم ناخالصی که جایگزین اتم Zn شود یک الکترون به نوار رسانش داده و باعث افزایش تراکم الکترونها در ماده می شود. عناصر گروه III معمولا به صورت مستقیم در محلول اولیه به شکل کلرید، نیترات و استات اضافه می شوند. هدف ما در این مقاله بررسی تاثیر این ناخالصی ها در ویژگیهاي فیزیکی شامل خواص نوري و الکتریکی لایه هاي نازك نانو متري ZnO است که به روش اسپري پایرولیزیز لایه نشانی شده اند .
کار تجربی
لایه هاي اکسید روي، روي زیر لایه از پیش تمیز شده شیشه نشانده شدند. محلول اولیهکردنخالص با غلظت 0/2 M با حل استات روي دو آبه در مخلوطی از آب مقطر، متانول و اسید استیک به نسبت حجمی 25 : 10:65 آماده شد. براي اضافه کردن ناخالصی - X: Al, Ga, In - به محلول اولیه کلرید آلومنینیمترات6 آبه، گالیوم 9 آبه و کلرید ایندیوم با نسبت وزنی [X]/[Zn] = 3% استفاده شد.
محلول با آهنگ 5 ml/min روي زیر لایه اي در دماي 450 °C اسپري شد. در حین لایه نشانی از نیتروژن به عنوان گاز حامل استفاده شد. به منظور مطالعه خواص اپتیکی لایه طیف عبوري نمونه ها توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر UV-Vis - Shimadzu, Model: UV 160 - بر حسب تابعی از طول موج نور در بازه 360 تا 1100 نانو متر اندازه گیري شد. سرانجام براي مشخصه یابی الکتریکی لایه ها مقاومت لایه ها در دماي اتاق اندازه گیري شدند.
نتایج و بحث
ویژگی هاي اپتیکی
طیف عبوري نوري لایه ها شامل لایه بدون آلایش و نیز لایه هاي آلایش شده با ناخالصیهاي مورد نظر ما در شکل 1 نشان داده شده است. میزان عبور در ناحیه مرئی تقریبا براي همه نمونه ها بین 80 تا 90 درصد می باشد. این عبور بالا بنا به گزارش باربر و همکاران [5] می تواند نشانگر کیفیت بلوري نسبتا بالاي لایه ها باشد. علاوه بر این مشاهده می شود که طیف عبوري مربوط به نمونه آلایش شده با Al بیشترین و نمونه آلایش شده با In کمترین میزان عبور را در ناحیه مرئی داراست.
شکل:1 طیف عبوري در ناحیه UV-Vis لایه هاي اکسید روي براي نمونه هاي
بدون ناخالصی و با ناخالصی هايAl، Ga و . - X/Zn=3% - In
با استفاده از این طیف عبوري و با کمک روش سوانپل می توان ضخامت و ثا بتهاي اپتیکی لایه ها را محاسبه کرد .[6] براي تعیین ضخامت لایه ها داریم:
که در آن M تعداد نوسان ها بین λ 1 وλ 2 و - n f λi ضریب شکست لایه در طول موج متناظر با λi است. با انجام این کار ضخامت لایه ها بدست می آیند. نتایج مربوط به این محاسبات در جدول 1 آمده است.
جدول :1 مقادیر مربوط به ضخامت لایه هاي اکسید روي خالص و آلایش شده، مبتنی بر مدل سوانپل - معادله . - 1
به منظور تعیین ثابتهاي اپتیکی ماده با رسم پوش هایی که از نقاط ماکزیمم و مینیمم طیف عبور مورد نظر می گذرند و به کمک روابط زیر می توان ضریب شکست لایه ها را محاسبه کرد. که در آن s ضریب شکست زیربرايلایه شیشه - 1/5=، و TM و Tm بترتیب ضرایب عبور بیشینه و کمینه وابسته به پوش هاست. شکل 2 تغییرات این کمیتها را بر حسب تایعی از طول موج نشان می دهد.
شکل :2 تغییرات ضریب شکست - الف - و ضریب خاموشی - ب - مربوط به لایه هاي اکسید روي خالص و آلایش شده.
چنانچه در نمودار - n λ مشاهده می شود در تمامی موارد با افزایش طول موج، ضریب شکست کاهش می یابد. این موضوع حاکی از حضور پراکندگی عادي در این نمونه هاست و با مدل نظري کوشی سازگار است .[7] براینطبق مدل ضریب شکست بر حسب تابعی از طول موج تابش فرودي به صورت زیر تغییر می کند:
به طوري که ضرایب a و b از برازش این رابطه با مقادیر ضریب شکست شکل 2 - الف - حاصل می شود. نتیجه این محاسبات در جدول 2 آمده است.
جدول :2 ضرایب برازشی مدل کوشی - معادله - 4 در داده هاي وابسته به شکل 2
براي تعیین گاف نواري لایه ها به وابستگی انرژي ضریب جذب لایه ها نیازمندیم. براي این کار می توان از فرمول لامبرت استفاده کرد:
به منظور تحقیق در تعیین بزرگی گاف نواري و صحت مستقیم بودن آن می توان از معادله استفاده نمود. که hv انرژي فوتون فرودي و Eg گاف نواري ماده است. Eg از برون یابی بخش خطی نمودار αhv 2 بر حسب hv در αhv 0 حاصل می شود. منحنی αhv 2 بر حسب hv درشکل 3 نمایش داده شده است.
شکل :3 تغییرات αhv 2 بر حسب hv براي نمونه هاي ZnO خالص و
آلایش یافته.
چنانچه ملاحظه می شود گاف نواري ماده با وارد شدن ناخالصی افزایش می یابد، جدول .3 این تفاوت نسبت به ماده خالص در ماده آلاییده با آلومینیوم بیشترین مقدار - - 0/14 eV و در ماده آلاییده با ایندیوم کمترین مقدار - - 0/02 eV را داراست. افزایش گاف نواري با وجود ناخالصی را می توان به افزایش تراکم الکترون ها در نوار رسانش نسبت داد که به اثر بروشتین- موس موسوم است
