بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ساخت پوشش لایههای نازک In2O3 با استفاده از روش تبخیر حرارتی در ضخامتهای 200 نانومتر با آهنگ لایه نشانی 0/1 nm/s در دماهای بازپخت متفاوت 300، 400، 500 و 550℃ انجام شد. سپس ویژگیهای اپتیکی لایهها در این دماها مورد بررسی قرار گرفت.
در این مطالعه همه نمونههای بازپخت شده، نشان دهنده عبور بالا در طیف نور مرئی است. در طول موج 550nm بیشترین عبور %89 برای لایههای بازپختی در دمای 400 ℃ و کم-ترین عبور برای لایههای بازپختی 300℃ به دست آمد. ضریب شکست نمونههای مختلف در این طول موج، در محدوده 1/7-2/1 به دست آمد. همچنین با اضافه کردن ناخالصی قلع به اکسید ایندیوم با درصد - ITO - %90In2O3 +%10SnO2، زمان پاسخ 8 ثانیه را برای آشکارسازی 1500ppm بخار اتانول مشاهده کردیم.
.1 مقدمه
لایههای نیم رسانای اکسیدی برای بسیاری از کاربردهای الکترواپتیکی نقش مهمی را ایفا میکنند. مطالعه روی رشد این لایهها با روشهای مختلفی از قبیل تبخیر حرارتی، تبخیر پرتو الکترونی، اسپاترینگ، انباشت پالس لیزری و انباشت بخار شیمیایی انجام می شود.
تحقیقات نشان می دهد که خواص ساختاری، اپتیکی و الکتریکی لایهها به شرایط مختلف انباشت لایه از جمله: دمای زیرلایه، فشار جزئی اکسیژن و فرآیندهای بازپخت بسیار حساس است.[1] لایههای نازک اکسید فلزی هممانند اکسید ایندیوم، اکسید قلع و اکسید ایندیوم آلاییده با قلع - ITO - دارای ویژگیهای منحصر به فرد از قبیل: رسانایی الکتریکی بالا، تراگسیل اپتیکی بالا در ناحیه طیف مرئی، چسبندگی عالی به زیرلایه، پایداری شیمیایی و خواص فوتوشیمیایی است.
این خواص به دلیل نیمرسانای نوع n و پهنای نواری گستردهشان است. در میان لایههای نازک نیمرسانای شفاف، لایههای In2O3 به دلیل خواص الکتریکی و اپتیکی مناسب، توجه ویژهای را به خود جذب کرده است. اکسید ایندیوم دارای ساختار مکعبی با ثابت شبکه a=10/117 Ao و گروه فضایی Ia3 است و به عنوان مادهای با گاف مستقیم و گاف انرژی حدود 3/7 eV شناخته میشود.[2] از جمله کاربردهای اکسید ایندیوم میتوان به استفاده در صفحات نمایش تخت کریستال مایع، سلولهای خورشیدی، دیودهای نورگسیل، تبدیل
واکنشهای اکسایش-کاهش، کاتالیزگرهای زیستی، دیودهای شاتکی برای الکترونیک قدرت بالا و حسگرهای گازی اشاره کرد.[3] در این مقاله قصد داریم در ضخامت و آهنگ انباشت یکسان، خواص اپتیکی لایههای نازک نیم-رسانای In2O3 در دماهای بازپخت 300، 400، 500 و 550℃ را با یکدیگر مقایسه و تعیین کنیم کدام یک خواص اپتیکی مناسب تری از خود نشان می دهد. همچنین به عنوان یک کاربرد از این لایهها، به بررسی زمان پاسخ و زمان بازگشت حسگری گاز اتانول برای لایههای اکسید ایندیوم آلاییده با قلع %90In2O3 +% 10 SnO2 - ITO - میپردازیم. لازم به ذکر است که آشکارسازی گاز اتانول با لایه ITO کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
.2 مواد و روشها
زیرلایههای شیشهای در استون، اتانول، متانول و دی کلرومتان به مدت 10 دقیقه تمیز و قبل از قرار گرفتن در محفظه خلاء با آب مقطر شست و شو و با گاز نیتروژن خشک شدند، سپس از پودرهای زرد رنگ In2O3 با خلوص بالای 99/99 درصد در بوتههای قایقی از جنس تنگستن به عنوان چشمه هدف، در دستگاه لایهنشانی تبخیر حرارتی مدل TE302 استفاده کردیم.
همچنین برای افزایش حامل بار در لایههای اکسید ایندیوم از تبخیر همزمان اکسید ایندیوم با پودرهای سفید رنگ SnO2 با خلوص بالای 99/99 درصد در بوتههای تنگستن به عنوان چشمه هدف دوم استفاده شد و لایه %90In2O3 +%10 SnO2 - ITO - ساخته و برای انجام آزمایش حسگری استفاده شد.
محفظه لایه نشانی تا فشار پایه 2/4 ×10- 5 میلی بار تخلیه شد و لایهها در فشار جزئی گاز اکسیژن در فشار1 ×10-4 میلی بار آنها را به مدت 80 دقیقه در کوره تحت دماهای 300، 400، 500 و 550 ℃ در هوا حرارت دادیم. پس از بازپخت نمونهها، از دستگاه اسپکتروفتومتر Uv/Visible مدل Ultrospec 3100 pro در دمای اتاق و در ناحیه طول موجی 200-900 nm به منظور تعیین خواص نوری مختلف استفاده شد و با تحلیل این دادهها، ثابتهای اپتیکی تعیین شدند. در نهایت جهت بررسی زمان پاسخ حسگری نمونهها نسبت به بخار اتانول، آنها را در دستگاه حسگری مدل GST-250 قرار دادیم.
.3 نتایج و بحث
1-3 خواص اپتیکی
پس از تهیه لایهها، آنها را با دستگاه اسپکتروفتومتر آنالیز و ضریب عبور و ضریب بازتاب را محاسبه کردیم. شکل - 1 - ضریب عبور لایهها را قبل و بعد از بازپخت بر حسب طول موج نشان میدهد.
شکل : - 1 - ضریب شکست بر حسب طول موج
لایههای نازک In2O3 در دماهای بازپخت متفاوت
همه نمونههای بازپخت شده در ناحیه مرئی عبور بالای %70 از خود نشان میدهند. در طول موج 550 نانومتر، بیش-ترین میزان عبور %89 درصد برای لایه بازپخت شده در 400 ℃ و کمترین عبور %73 برای لایه بازپخت شده در 300 ℃ به دست آمد. همانگونه که مشاهده میشود طیف عبور لایهها بعد از بازپخت به مراتب افزایش مییابد که این امر ناشی از بلورینگی بهتر لایهها و کاهش عوامل پراکندگی نور در آنهاست. تغییرات ضریب بازتاب لایهها بر حسب طول موج نیز در شکل - 2 - نشان داده شده است. مطابق شکل بازتاب این لایه ها در ناحیه مرئی زیر 15 درصد است.
