بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق لایههای نازک اکسید وانادیم در دماهای مختلف زیرلایه 300 C - ، 350 C و - 400 C به روش اسپری پایرولیز رشد داده شدند. تصاویر SEM نشان میدهد که با افزایش دمای زیرلایه تراکم و ابعاد نانو دانهها از 50 به 100 nm افزایش یافته است. همچنین آنالیز دادههای EDX وجود عناصر اکسیژن و وانادیوم در لایهها را تایید کرده به طوری که با افزایش دمای رشد تهی جاهای اکسیژن نیز بیشتر شده است.
نتایج XRD حاکی از آن است که نمونهها از فاز آمورف - در دمای رشد - 300 C به ساختار اورتورومبیک بسبلوری با جهتگیری ترجیحی - 001 - در دماهای بالاتر تغییر یافته اند. تحلیل طیف های جذب اپتیکی نشان داد با افزایش دمای زیرلایه، گاف نواری مستقیم نمونهها از 2/59 به 2/41 eV کاهش یافته است. این تغییرات به خوبی با توجه به دادههای EDX و همچنین I-V، مبتنی بر تغییرات پهنای دنباله نواری در این نمونهها، سازگار است.
-1 مقدمه
اکسید فلزات واسطه یکی از جالبترین گروه جامدات است. خواص خارقالعاده اکسید فلزات واسطه به علت ماهیت منحصربه فرد الکترونهای اوربیتال d است. از انواع اکسیدهای فلزی گذار میتوان به عنصر وانادیوم اشاره کرد. یکی از ویژگیهای جالب این ماده به صورت اکسیدی خواص اکسیدهای متنوع وانادیوم است که می-تواند به صورت تک ظرفیتی یا چند ظرفیتی باشند. اکسیدهای وانادیوم تک ظرفیتی شامل VO، V2O3، VO3 و V2O5 بوده است [1] و ترکیبات چند ظرفیتی ما بین VO2 و V2O3 به صورت فرمول VnO2n-1 و ترکیبات بین VO2 و V2O5 به صورت فرمول VnO2n+1 وجود دارند، .[2] از ترکیبات چند ظرفیتی میتوان به V3O7 اشاره کرد.
از کاربردهای اکسید وانادیوم در صنعت الکترونیک و اپتوالکترونیک میتوان به پنجرههای هوشمند ، حسگرهای گازی ، باتریهای شیمیایی لیتیومی، آشکار سازهای نوری[5]، قطعات سوئچینگ اپتیکی و ... اشاره کرد.
-2 روش انجام آزمایش
لایههای نازک V2O5 به وسیله روش اسپری پایرولیز بر روی زیرلایه شیشه تهیه شدند. قبل از تهیه نمونهها، زیرلایهها با مواد شوینده، اتانول و آب مقطر شسته شدند. محلول اسپری شامل مقدار مشخصی از پودر VCl3 در 50ml آب دوبار تقطیر حل شد. غلظت محلول 0/1M، موقعیت نازل اسپری روبشی تا زیرلایه 35cm و آهنگ اسپری 5ml/min است. هوای فشرده با فشار1bar به عنوان گاز حامل استفاده شد. پارامترهای لایه نشانی، به جز دمای زیرلایه 300 - ، 350 و - 400 C ثابت نگه داشته شدند. نمونههای مورد نظر به ترتیب با اسامیS300 ، S350 و S400 نامگذاری شده اند.
تحلیل ساختاری نمونهها توسط دستگاه پراش پرتو ایکس - XRD; St adimp - و مورفولوژی سطح نمونهها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM AIS-2100 - انجام پذیرفت. خواص اپتیکی لایهها با استفاده از طیف سنج نوری - Shimadzu UV -Vis - 1800 اندازهگیری شد. خواص الکتریکی نمونهها با استفاده از دستگاه آنالیز الکتروشیمیایی - PGS 2065 - برای تهیه مشخصه جریان - ولتاژ بدست آمد.
نتایج و بحث
1؛-2 مورفولوژی سطح
شکل :1 تصاویر SEM لایههای نازک اکسید وانادیوم.
شکل 1 تصاویر مورفولوژی سطح - سمت چپ - و نیز سطح مقطع عرضی - سمت راست - نمونهها وابسته به تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی را نشان میدهد. چنانچه پیداست با افزایش دمای رشد، نانو دانهها متراکم تر و اندازه آنها بمرور از حدود 50 nm به 100 nm افزایش یافته اند. همچنین از تصاویر مقطع عرضی نمونهها ملاحظه میشود که ضخامت لایههای S300، S350 و S400 به ترتیب از 706nm به 1/3 m و سرانجام به 210nm رسیده است.
شکل :2 آنالیز EDX - شدت بر حسب انرژی بستگی - نمونهها.
شکل 2 طیف EDX نمونهها را نشان میدهد. این نتایج حضور عناصر اکسیژن و وانادیوم را در لایه های سنتز شده تایید میکند. با توجه به این نتایج ملاحظه می شود که در نمونه ی S300 نسبت اکسیژن به وانادیوم متناظر با نسبت 1/90 به 2، در نمونه ی 1/81 S350 به 2 و در نمونه ی 1/2 S400 به 2 است. بنابراین معلوم می شود که با افزایش دمای زیرلایه میزان تهی جاهای اکسیژن، که منشاء تشکیل ترازهای شبه -بخشنده در نزدیکی لبه نوار رسانش می باشد، افزوده شده است. این نتایج با خواص الکتریکی که در "بخش "4-2 آمده است مطابقت دارد.
2؛-2 خواص ساختاری
جدول :1 مشخصات ساختاری به ازای قلهی ترجیحی . - 001 -
3؛-2 خواص اپتیکی
شکل :3 طیف XRD لایههای نازک اکسید وانادیوم.
شکل 3 الگوی پراش XRD نمونهها را نشان میدهد. با توجه به نتایج بدست آمده نمونه ی S300 به صورت آمورف، نمونه ی S350 به صورت دو فازی شامل فازهای V2O5 و V3O7، و نمونه S400 به صورت تک فاز - V2O5 - رشد پیدا کرده است. در نمونه های S350 و S400 جهت ترجیحی رشد صفحه بازتابی - 001 - متعلق به فاز اورتورومبیک V2O5 است که با فایل کارت استاندارد JCPDS به شماره 41-1426 مطابقت دارد.
برای بررسی دقیقتر خواص ساختاری به محاسبهی اندازه بلورکها - D - ، چگالی دررفتگیها - - و کرنشهای بلوری - - برای نمونههای S350 و S400 پرداختهایم. نتایج حاصل از این محاسبات در جدول 1 ارایه شدهاند. این نتایج گویای آن است که با افزایش دمای زیرلایه، ابعاد بلورکهای تشکیل شده در این نمونه ها افزایش یافته و در مقابل میزان دررفتگیها و کرنشهای بلوری رو به کاهش گذاردهاند.
شکل :4 طیف جذب اپتیکی لایههای نازک اکسید وانادیوم.
شکل 4 طیف جذب اپتیکی نمونههای مورد بررسی را نشان میدهد. این شکل گویای آن است که جذب اپتیکی نمونهها در طول موجهای کوتاه متناسب با ضخامت لایه ها بوده به طوری که نمونه ی S350 با بیشترین ضخامت - 1/3 ʽm - از بیشترین جذب و نمونه ی S400 با کمترین ضخامت - 210 nm - از کمترین جذب اپتیکی برخوردار می باشد. به کمک دادههای جذب اپتیکی - - a میتوان گاف نواری مستقیم نمونهها را از معادله :
و برون یابی دادهها در بخش خطی نمودار در ناحیه انرژیهای بالا با محور افقی - a 0 - محاسبه کرد. این محاسبات در شکل 5 نشان داده شده است. در این رابطه B مقداری ثابت است. بر این اساس نمونه S300 دارای بیشترین مقدار گاف نواری و نمونه S400 از کمترین مقدار برخوردار است. این تغییرات با توجه به حضور ناراستی-های بلوری در این لایهها - عمدتا ناشی از تهی جاهای اکسیژن در ماده - ، که با نتایج طیف EDX و همچنین "خواص الکتریکی" نمونه ها مطابقت دارد، که منجر به شکلگیری دنباله نواری در داخل گاف نواری نمونهها می شود سازگار است
