بخشی از مقاله
چکیده
لایههای نازک نانو ساختار اکسید روی با اکسایش حرارتی لایههای نازک فلز Zn - تهیه شده به روش - PVD در دماهای مختلف 550، 600، 650 C به مدت 1 ساعت در هوا تهیه شدند. نمونهها با استفاده از تصاویر SEM، طیف های XRD و UV-vis تحت بررسی قرار گرفتند. تصاویر SEM نشان می دهد که با افزایش دمای اکسایش طول نانوسیمهای ZnO رو به افزایش گذارده اند. همچنین نتایج XRD حاکی از آن است که لایهها همگی دارای ساختار هگزاگونال بوده و با افزایش دمای اکسایش ابعاد بلورک ها رو به افزایش گذارده اند. تحلیل دادههای جذب نوری نشان داد که با افزایش دمای رشد، گاف نواری نمونهها تحت تاثیر وقوع اثر محدودیت کوانتومی کاهش پیدا کرده اند.
-1 -2 مقدمه
اکسید روی - ZnO - یک نیمرسانای نوع n با گاف مستقیم پهن 3/37 eV و انرژی پیوندی اکسیتونی بالا - 60meV - است. این ماده در بیشتر مقالات گزارش شده از ساختار ششگوشی ورتزایت برخوردار است 7]؛ .[1 اکسید روی به روشهای مختلفی سنتز میشود که از آن جمله می توان به موارد تبخیر حرارتی، رسوب گذاری بخار شیمیایی، لایه نشانی لیزری پالسی، هیدروترمال و اکسایش حرارتی اشاره کرد. در بین این روشها اکسایش حرارتی به خاطر سادگی، هزینه کم، دمای کمتر و عدم نیاز به کاتالیزور توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است
در این مقاله ما به روش اکسایش گرمایی لایههای نازک نانو ساختار اکسید روی را بر روی زیرلایه شیشه تهیه کرده و اثر دمای کوره اکساینده را بر خواص فیزیکی آنها مورد بررسی قرار دادهایم.
-3 روش انجام آزمایش
به منظور ساخت لایههای نازک اکسید روی پس از شستشوی زیرلایه های شیشه با مواد شوینده و سپس اتانول و آب مقطر، سپس با استفاده از پودر Zn به روش رسوب گذاری تبخیر حرارتی - PVD - در خلاء با فشار 10 torr؛5 لایه ای از فلز Zn بر روی زیرلایه به فاصله 20cm تا بوتهی مولیبدن لایه نشانی شدند. سپس لایه های فلزی در یک کوره تیوپی در دماهای 550، 600 و 650 C - به ترتیب نمونه های S1 ، S2 و - S3 در آتمسفر هوا به مدت 1 ساعت اکسید شدند.
تحلیل ساختاری نمونهها به وسیله دستگاه پرتوایکس - XRD; Broker AXS - با گسیل خط طیفی - - 1,5406 مورفولوژی سطح نمونهها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM Hitachi S .4160 - انجام پذیرفت. همچنین خواص لایهها با بررسی طیف عبوری و جذبی و با استفاده از دستگاه طیف سنج نوری - Shimadzu UV -vis. 1800 - در بازه nm ؛1100 300 اندازهگیری شد.
-3 نتایج و بحث
1؛-3مورفولوژی سطح
شکل :1 تصاویر SEM مربوط به نانو سیم های ZnO سنتز شده در دماهای 550، 600، و 650 C در هوا به مدت 1 ساعت. تصاویر ضمیمه مقطع عرضی لایه ها را نشان می دهد.
شکل 1 تصاویر مربوط به میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - را در دو مقیاس 500nm و 1m به انضمام تصاویر مقطعی لایهها نشان میدهد. این تصاویر حاکی از آن است که سطح نمونه S1 متشکل از دانه هایی به ابعاد حدود 50 nm بوده و با افزایش دمای اکسایش بمرور سطح نمونه ها از سیم هایی با قطر میانگین کوچکتر از 50 nm پوشیده شده اند، به طوری که با افزایش دما این نانوسیم ها از تراکم و طول بیشتری برخوردار شده اند. تصاویر مقطع عرضی نمونه ها نشانگر آن است که ضخامت لایه اکسید روی سنتز شده با افزایش دمای اکسایش کاسته شده و از 783 nm در نمونه S1، به 694 nm در نمونه S2 و سرانجام به nm 407 در نمونه S3 رسیده است.
2؛3 خواص ساختاری
شکل 2 الگوی پراش پرتو ایکس - XRD - نمونههای بس بلوری با ساختار ششگوشی را نشان می دهد. این داده ها نشانگر آن است ساختار بلوری لایه های سنتز شده بستگی زیادی به دمای اکسایش دارند، به طوری که نمونه S1 دارای جهتگیری ترجیحی - 002 - بوده و با افزایش دما - نمونه - S2 بمرور جهتگیری - 100 - نیز بدان افزوده شده است، سرانجام در نمونه S3 قله ترجیحی به - 100 - تغییر سمتگیری پیدا کرده است.
شکل :2 طیف XRD نمونه های ZnO سنتز شده دردماهای 550، 600 و .650 C
به منظور بررسی بیشتر خواص ساختاری از روابط زیر اندازه بلورکها - D - ، چگالی دررفتگیها - - و کرنشهای بلوری - - استفاده شده است :
3 -4 خواص اپتیکی
شکل های 3 - الف - و - ب - بترتیب طیف های بازتاب و جذب نمونههای مورد بررسی را نشان می دهند. همان طور که از طیف بازتابی لایه ها پیداست با افزایش دما بازتاب اپتیکی نمونهها کاهش یافته اند که میتواند ناشی از افزایش تخلخل سطحی و تشکیل نانو سیمها در سطح این نمونهها با افزایش دمای اکسایش باشد.
که در آن β پهنا ی کامل در نصف شدت بیشینه، θ زاویه براگ و λ طول موج پرتو ایکس است. نتایج این محاسبات در جدول 1 ارائه شده است. با توجه به این نتایج می توان دریافت که اندازه بلورکها با افزایش دمای اکسایش افزایش یافته است. لازم به ذکر است که اندازه بلورک ها، تراکم دررفتگی ها و میکرو کرنش های بلوری در نمونه S2 با توجه به شدت های نسبتا یکسان قله های - - 100 و - 002 - از میانگین گیری نتایج مربوط به این دو قله محاسبه شده است.
جدول :1 ابعاد بلورک ها، تراکم دررفتگی ها و میکرو کرنش های بلوری با استفاده از معادلات .3-1
شکل :3 طیف های - الف - بازتاب، و - ب - جذب نمونههای مورد بررسی.
همچنین با توجه به نتایج وابسته به طیف جذب نمونه ها مشاهده می شود که با افزایش دمای رشد بمرور از جذب اپتیکی نمونه ها کاسته شده است. این تغییرات می تواند ناشی از کاهش ضخامت لایه های مورد مطالعه باشد.
بنابر گزارشهای منتشر شده اکسید روی نیمرسانایی با گاف نواری - Eg - مستقیم است و ضریب جذب - α - تابعی از انرژی فوتون - hv - فرودی به صورت زیر می باشد
