بخشی از مقاله
چکیده
لایه های نازک اکسید روی با استفاده از محلول پیش ماده استات روی به روش افشانه پایرولیزز روی زیر لایه های شیشه تهیه شدند. تاثیر دمای زیرلایه در ویژگی های ساختاری، اپتیکی و الکتریکی این لایه ها مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج پراش پرتو ایکس لایه های ZnO طبیعت پلی کریستال را نشان میدهد. برای تائید و تشخیص پیوندهای شیمیایی از طیف تبدیل فوریه فروسرخ استفاده شد. همچنین تغییرات طیف عبور لایه ها و مقاومت سطحی با در نظر گرفتن دما گزارش شده است.
مقدمه
لایه های غیر آلاییده و آلاییده شده از اکسید های مختلفی مثل قلع، ایندیم، کادمیوم، روی و ترکیبات مختلفی از آن ها به روش های متنوعی لایه نشانی می شوند که شفافیت بالایی را در ناحیه ی مرئی و بازتابش بالایی را در ناحیه IR از خود نشان می دهند و رسانایی خوبی از آن ها گزارش شده است. اخیرا لایه نشانی اکسید روی توجه زیادی را به خود جلب کرده است، به دلیل این که این دسته از لایه ها دارای مزیت بیشتری نسبت به لایه های اکسید قلع و ایندیم هستند. لایه های نازک اکسید روی - ZnO - یک نیمه رسانای با گاف نواری مستقیم و پهن[3.37 eV ] با خواص بی همتا در کاربرد های سنسورهای گازی، سلول های خورشیدی، لیزر، اسپینتروپیک و ... است.
روش های متفاوتی برای رشد لایه های اکسید روی در سال های اخیر گرد آوری شده است. روش های رشد نقش مهمی در خواص این لایه ها دارند. از جمله روش های متداول برای رشد لایه های اکسید روی کندوپاش مگنترون 2]،[1،رسوب لیزر پالسی - [3] - PLD،اسپری پایرولیزز [4]، سل ژل [5] و ... است.از میان روش های رایج برای تهیه لایه های نازک اکسید روی، اسپری پایرولیزز یکی از ارزان ترین و ساده ترین روش ها به شمار می آید که نتایج حاصل از آن سبب گشته که این روش به عنوان یکی از صنعتی ترین روش ها برای لایه نشانی لایه های ZnO و همچنین سایر اکسید های رسانای شفاف به شمار آید.
روش آزمایش
لایه های اکسید روی غیر آلاییده بر روی زیر لایه های شیشه ای که توسط هیدروکلریک اسید رقیق شده و استون تمیز شده اند، تهیه شده اند. حجم محلول 40 ml در نظر گرفته شده است و نسبت اتانول و آب برابر است. در کارهای قبلی از حلال متانول استفاده شده است که نتایج آن گزارش شده است.[6] محلول به دست آمده تحت فلوی 30 lit/min اسپری شد. دمای زیر لایه در گستره ی 350-450 ℃ تغییر داده شد در حالی که غلظت محلول 0/5 مولار ثابت است.
پس از اتمام فرآیند لایه نشانی، دمای فیلم ها به آرامی تا دمای اتاق پایین آورده شد. در این مقاله خواص ساختاری نمونه ها توسط دستگاه XRD مدل Philips PW1800 بررسی شده است. برای تشخیص پیوند های شیمیایی طیف تبدیل فوریه فروسرخ توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر Alpha انجام شد. طیف شفافیت و انعکاس این لایه ها توسط دستگاه UV-Visible 100 scan انجام شد که خواص اپتیکی نمونه ها را نشان می دهد. خواص اپتیکی و محاسبات مربوط به بند گاف در کارهای پیشین مورد بررسی قرار گرفته است.
ویژگی های ساختاری
خواص ساختاری لایه ها توسط پراش پرتو X، مورد مطالعه قرار گرفته اند. آنالیز پراش پرتو ایکس نمونه های تهیه شده در دماهای مختلف - شکل - 1 منطبق بر [JCPDS -Card no.01-079-0208] است و نشان می دهد که لایه های تهیه شده پلی کریستال بوده و ساختار آن ها wurtzite است.
شکل:1 الگوی پراش پرتو ایکس لایه های تهیه شده در دماهای مختلف
با افزایش دما تا 400 ℃، ساختار شکل کریستالی بهتر با جهت ترجیحی مشخص به خود می گیرد. در دماهای بالاتر ساختار کریستالی تخریب می شود و از شدت پیک - 002 - کاسته می شود. می توان اندازه بلورک ها را با استفاده از معادله شرر بصورت زیر محاسبه کرد :
که در این رابطه طول موج، D اندازه دانه، k ضریب ثابتی برابر با 0.9 می باشد و مقدار FWHM و زاویه براگ می باشد. اندازه دانه ها با افزایش دمای زیر لایه ابتدا افزایش می یابد تا به مقدار ماکزیمم 42 nm در دمای 400 ℃ برسد و سپس کاهش می یابد.
بررسی طیف تبدیل فوریه
شکل 2 طیف تبدیل فوریه مادون قرمز لایه ی تهیه شده در دماهای مختلف را نشان می دهد. وجود باند جذب در محدوده ی پایین تر از 500 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی Zn-O می باشد
پیک های در محدوده 1000-1400 cm-1 و1630-1650 cm-1 به ترتیب مربوط به ارتعاشات خمشی OH و H-O-H می باشد10]،[11 و پیک های در محدوده 3400-3850 Cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی OH می باشد.[12] همانطور که مشاهده میشود با افزایش دمای زیر لایه شاهد کاهش شدت باند جذب مشخصه ارتعاشات OH هستیم که نتیجه ای از عملیات گرمایی محسوب می شود.
شکل:2 طیف تبدیل فوریه لایه های تهیه شده در دماهای مختلف
ویژگی های اپتیکی
شکل 3 طیف عبوری از لایه های نازک ZnO را در ناحیه ای با طول موج 200-800 nm با تغییراتی در بازه ی دمایی -500 ℃ 350 نشان می دهد. تغییرات دمایی در میزان شفافیت و خواص اپتیکی لایه ها نقش مهمی دارد.
شکل :3 طیف شفافیت لایه های تهیه شده در دماهای مختلف ترکیبات زیر لایه به لایه ایجاد می نماید، پس کاهش در شفافیت مشاهده می شود.
ویژگی های الکتریکی
در دمای پایین نمونه ها دارای ساختار بلوری خوبی نیستند و از نظر الکتریکی هم از کیفیت خوبی برخوردار نیستند، که این به خاطر کافی نبودن گرما و انرژی حرارتی برای تجزیه ی کامل نمک ها و تشکیل نشدن اکسید است. با افزایش دمای زیر لایه مقاومت در ابتدا کاهش و سپس افزایش می یابد که با حالت کریستالی مطلوب پراش این نمونه ها مطابقت دارد. این امر نشان می دهد که با بهبود ساختار کریستالی چگالی نقص های اکسیژنی افزایش یافته که خود باعث افزایش چگالی حامل های بار و در نتیجه افزایش رسانندگی می شود.
شکل 4 تغییرات مقاومت بر حسب دما را برای لایه ی تهیه شده در دمای 400 ℃ نشان می دهد. نمونه ویژگی یک نیم رسانای نوعی که مقاومت الکتریکی آن با افزایش دما کاهش می یابد را نشان می دهد
شکل :4 نمودار تغییرات مقاومت بر حسب دما برای لایه ی تهیه شده در دمای 400 ℃
نتیجه گیری
نمودار های حاصل از طیف عبور لایه ها در ناحیه مرئی شفاف بوده و با افزایش دمای زیر لایه ها، شفافیت کاهش می یابد. می توان نتیجه گرفت که افزایش دما، اثرات ویرانگری به واسطه نفوذ لایه های اکسید روی با موفقیت توسط اسپری پایرولیزز در دماهای مختلف در محدوده ی 350-450 ℃ لایه نشانی شدند. اندازه دانه با افزایش دما ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد
