بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق لایه نازک سولفید کادمیم بر روی زیرلایه شیشه به روش حمام شیمیایی سنتز و سپس در دمای 400oC به مدت یک ساعت بازپخت شد. تصاویر FESEM نشانگر تاثیر بازپخت بر مورفولوژی سطح و افزایش اندازه ریز دانه ها از 45 به 55 nm بوده است. مشخصه یابی ساختاری حاصل از طیف نگاری XRD نشانگر ساختار آمورف در نمونه ی تازه رشد یافته و ساختار هگزاگونال پس از بازپخت است. همچنین بررسی خواص الکتریکی به همراه خواص اپتیکی نشان داد که گاف نواری اپتیکی لایه بخاطر تشکیل دنباله ی نواری وابسته به تهی جاهای گوگرد، از 2/30 به 2/10 eV کاهش یافته است.
مقدمه
سولفید کادمیم - CdS - یکی از مهمترین نیمرساناهای گروه II-VI با پهنای گاف نواری مستقیم در حدود 2 eV در دمای اتاق است. CdS به دلیل پهنای گاف نواری متوسط، پایداری شیمیایی، قیمت پایین و همچنین به دلیل دارا بودن ویژگی های نوری و الکترونوری، کاربرد زیادی در طراحی، تهیه و ساخت ادوات اپتیکی و الکترواپتیکی دارد
از مهمترین این ادوات می توان به سلول های خورشیدی [2]، حسگرهای گازی [3]، ترانزیستورهای نیمرسانا و غیره اشاره کرد. روش های مختلفی برای تهیه لایه های نازک CdS وجود دارد که از مهمترین آنها میتوان به سل-ژل، لایه نشانی حمام شیمیایی - CBD - ، تبخیر گرمایی، اسپری پایرولیز، کندوپاش با فرکانس [4] Rf اشاره نمود. در بین این روش ها، روش لایه نشانی حمام شیمیایی به دلیل مزیت های گوناگون از جمله: سادگی فرایند ساخت، عدم نیاز به تجهیزات و شرایط خاص مانند خلاء، سهولت در کنترل پارامترهای موثر بر فرایند ساخت و پایین بودن دمای لایه نشانی که موجب کاهش انرژی مصرفی و آسیب نرسیدن به زیرلایه میشود، توجه محققین را به خود جلب کرده است
ما در این تحقیق لایه نازک سولفید کادمیم را به روش حمام شیمیایی بر روی زیرلایه شیشه تهیه و بازپخت نموده و خواص فیزیکی آنها را باهم مقایسه کرده ایم.
جزئیات کارهای آزمایشگاهی
لایه های نازک CdS بر روی زیرلایه شیشه به روش حمام شیمیایی لایه نشانی شدند. قبل از لایه نشانی ابتدا زیرلایه ها با آب و صابون شستشو داده شده و در بشر حاوی اتانول، استون و آب مقطر در دستگاه آلتراسونیک قرار گرفتند. محلول آبی شامل 25 ml استات کادمیم mM 2/4 با استفاده از پودر - Cd - CH3COO - 2·2H O - ، 25 ml
تیوره - H NCSNH - 6 mM، و 25ml آمونیوم - NH4OH - برای تهیه لایه های نازک سولفید کادمیم استفاده شده است. زیرلایه های شیشه در دمای 60oC و pH=11 و به مدت 2/5 ساعت در محلول فوق به طور عمودی غوطه ور بوده اند. انتظار می رود فرآیند تشکیل لایه نازک طی واکنش های زیر صورت گیرد :
در این تحقیق به بررسی تاثیر بازپخت نمونه ی اولیه - S0 - در دمای 400 oC به مدت یک ساعت در محیط هوا - نمونهی - S400 پرداخته ایم.
برای شناخت مورفولوژی سطح نمونه ها از دستگاه FESEM مدل S.4160 استفاده شده است. به منظور مشخصه یابی نمونه ها از پراش پرتو X توسط دستگاه D&Advance - Bruker وابسته به خط طیفی CuK با طول موج 0/15406 nm و زاویه 2 در گستره 10-70 درجه و برای سنجش طیف های عبور و جذب نوری نمونه ها در گستره طول موجی 300 nm؛1100 از دستگاه اسپکتروفوتومتر UV.Vis.,Shimadzo - 1800 استفاده کرده ایم.
نتایج و بحث الف - مورفولوژی سطح
شکل 1 تصاویر FESEM لایه های مورد بررسی را نشان می دهد.
شکل :1 تصاویر FESEM نمونه های مورد بررسی از بالا در دو مقیاس µ 1 m و .500 nm تصاویر ضمیمه، مقطع عرضی نمونه ها را نشان می دهند.
این تصاویر نشانگر آن است که سطح لایه ها از دانه هایی متشکل از ریز-دانه هایی کوچکتر می باشد به طوری که ابعاد دانه ها در نمونه های S0 و S400 به ترتیب در حدود 45 و 55 nm است. این افزایش اندازه دانه ها بر اثر بازپخت با گزارش دیگر محققین مطابقت دارد 8] و .[9 همچنین تصاویر مقطع عرضی حاکی از آن است که بازپخت تاثیر چندانی بر ضخامت لایه ها نداشته و مقدار آن در حدود 500 nm می باشد.
ب - خواص ساختاری
برای بررسی ویژگی های ساختاری نمونه ها از الگوهای پراش پرتو X استفاده شده است. شکل 2 طیف XRD نمونه های رشد یافته را نشان می دهد.
شکل :2 طیف XRD نمونه های تحت بررسی.
نتایج بدست آمده از این الگوها نشانگر آن است نمونه تازه رشد یافته - S0 - دارای ساختار آمورف است، که مشابه با گزارش [6] که به همین روش در دمای پایین رشد داده شده اند می باشد. اما پس از بازپخت - S400 - داده های الگوی پراش نشان دهنده شکل گیری ساختار بس بلوری در فاز هگزاگونال است که شامل قله هایی متعلق به فاز CdS میباشد. صفحات - 100 - ، - 002 - ، - 101 - و - 112 - به ترتیب مربوط به موقعیت زاویه ای 24/830o، 26/450o ،28/218o و 51/879o میباشد که با گزارش [9] مطابقت دارد.
برای بررسی دقیق تر خواص ساختاری به محاسبه اندازه بلورک - - D، چگالی در رفتگی - - و کرنش بلوری - - در نمونه S400 با توجه به روابط زیر پرداخته ایم:
جدول :1 مشخصات ساختاری محاسبه شده نمونه S400، وابسته به قله
ج - خواص الکتریکی
شکل 3 نمودار تغییرات جریان-ولتاژ نمونه های رشد داده شده را نشان می دهد. این نتایج گویای آن است که مقاومت الکتریکی سطحی نمونه S0 از بیشترین مقدار - 16 M /sq. - و نمونه S400 از کمترین مقدار M /sq. - - 0/2 برخوردار است. این تغییرات می تواند گویای تفاوت در تراکم حامل های بار آزاد در نمونه ها ناشی از تراکم ترازهای ناکاملی های شبه بخشنده ذاتی - عمدتا تهی جاهای گوگرد - در لایه سنتز شده در نزدیکی لبه نوار رسانش در این لایه ها باشد .
شکل :3 مشخصه جریان-ولتاژ در نمونه سنتز شده، قبل و بعد از بازپخت. تصویر ضمیمه داده های بدست آمده را در بازه ی جریان 0/4 تا -μ 4/0A را نشان می دهد.
د - خواص اپتیکی
شکل 4 طیف عبور و جذب اپتیکی لایه های مورد بررسی را نشان می دهد. نمونه S0، با کمترین ضخامت nm - - 490، از بیشترین عبور نوری و همچنین کمترین جذب اپتیکی برخوردار می باشد. این تغییرات می تواند متاثر از تغییرات ضریب شکست ماده بر اثر افزایش میزان رسانندگی الکتریکی لایه پس از بازپخت و همچنین جذب حامل های آزاد ایجاد شده باشد. با استفاده از داده های طیف جذب - a - می توان ضریب جذب - α - نمونه را به کمک رابطه: - =2.304 a /l - که در آن l ضخامت لایه است بدست آورد.
