بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، لایههای نازک سولفید کادمیم - CdS - بر روی زیرلایه شیشه ای در مدت زمان های مختلف به روش حمام شیمیایی - CBD - تهیه شدند. تصاویر FESEM نشانگر تشکیل رشد دانهای بوده به طوری که با افزایش مدت رشد ابعاد آنها از حدود 100 nm به 60 nm کاهش یافتهاند. طیف XRD بیانگر آن است که لایه های رشد یافته دارای ساختار مکعبی بوده و با افزایش مدت سنتز، ابعاد بلورکها رو به کاهش گذاردهاند. تحلیل خواص اپتیکی لایهها نشانگر تغییرات رو به افزایش گاف نواری نمونهها - از 2/41 به - 2/47 eV تحت تأثیر محدودیت کوانتومی می باشد.
مقدمه
سولفید کادمیم - CdS - یکی از مهمترین نیمرساناهای ترکیبی از گروه II-VI جدول تناوبی است که دارای پهنای گاف نواری مستقیم در حدود 2/4 eV در دمای اتاق است. CdS بسته به شرایط لایه نشانی در دو فاز بلوری رشد پیدا می کند :[1] فاز ششگوشی - ورتزایت - و فاز مکعبی - زینک بلند - . CdS به دلیل دارا بودن ویژگیهای نوری و الکترونوری، کاربرد های زیادی در طراحی، تهیه و ساخت قطعات اپتوالکترونیکی دارد. همچنین بهترین گزینه به عنوان لایه پنجره، جهت کاربرد در سلولهای خورشیدی CdTe و CuIn - Ga - Se2 در نظر گرفته می شود .
برای تهیه لایه نازک این ماده روشهای مختلفی در مراجع ذکر شدهاند که عمدتاً عبارتند از: تبخیر حرارتی [3]، اسپری پایرولیز شیمیایی [4]، کندوپاش [5] و رسوب گذاری حمام شیمیایی .[6] - CBD - از مهمترین مزیتهای روش CBD میتوان به سادگی و سهولت در انجام کار، عدم نیاز به تجهیزات پیشرفته و پرهزینه و امکان رشد لایه در ابعاد وسیع اشاره نمود .در روش CBD ساختار لایه تحت تأثیر عواملی نظیر محتوای حمام شیمیایی، دما، PH محلول و زمان لایهنشانی است.
ما در این تحقیق به بررسی اثر مدت زمان لایه نشانی بر خواص فیزیکی لایه های نازک سنتز شده به روش رسوب گذاری حمام شیمیایی پرداخته ایم.
روش انجام آزمایش
در روش CBD، CdS میتواند به وسیله ترکیبی از تیوره - SC - NH2 - 2 - در داخل یک محلول قلیایی حاوی نمکهای کادمیم، طبق واکنش زیر تهیه شود :
آماده سازی و شستشوی زیرلایه یکی از مهمترین مراحل ساخت میباشد. ابتدا زیرلایههابا آب و صابون کاملاً شسته شده و سپس به مدت 20 دقیقه درون هیدروکلریک اسید قرارداده شدند. آنگاه پس از آن به مدت 5 دقیقه داخل محلول اتانول جوشانده شده و در نهایت در بشر حاوی آب مقطر داخل دستگاه آلتراسونیک قرار گرفتند. برای تهیه لایه نازک CdS از یک محلول حمام شیمیایی شامل 0/033 Mکادمیم استات - Cd - OOCCH3 - 2.2H2O - ، M 0/1 آمونیوم استات - CH3CO2NH4 - ، 0/067 Mتیوره - H2NCSNH2 - و آمونیوم هیدروکسید - NH4OH - استفاده شده است. زیرلایهها در دمای 90 C و pH= 11 در محلول فوق به طور عمودی غوطهور شدند. در این تحقیق زمان لایهنشانی به عنوان پارامتر متغیر لحاظ شد و نمونههای S1، S2 و S3 به ترتیب در زمانهای 30، 40 و 50min لایهنشانی شدند.
طیف XRD لایهها با استفاده از دستگاه پراش پرتو X مدل Bruker/d8advanced، تهیه شدند. الگوهای پراش پرتو X با استفاده از پرتو Cu-. با طول موج 0/154056 nm و زاویه 2 در گستره 20 تا70 درجه ثبت شد. از دستگاه FESEM مدل HITACHI S-4160 جهت برسی مورفولوژی سطح نمونهها و از دستگاه اسپکتروفوتومتر UV.Vis., Shimadzo - 1800 برای سنجش طیفهای عبور و جذب نوری نمونهها در گستره طول موجی 300-1100 nm استفاده شده است.
نتایج و بحث مورفولوژی سطح
شکل 1 تصاویر FESEM لایهها را نشان میدهد. بر اساس این نتایج لایههای نازک سنتز شده به صورت دانههای کروی رشد پیدا کردهاند به طوری که اندازه دانههای تشکیل شده با افزایش زمان لایه نشانی رو به کاهش گذارده و در این نمونهها بترتیب در حدود 100، 70 و 60 nm است.
شکل :1 تصاویر FESEM نمونههای مورد مطالعه.
شکل 2 الگوی پراش XRD نمونههای رشد یافته در زمانهای مختلف را نشان میدهد. آنها دارای رشد ترجیحی درجهت - 111 - با ساختار مکعبی هستند. با توجه به نتایج بدست آمده ملاحظه می شود که با افزایش مدت زمان لایهنشانی شدت قله - 111 - کاهش یافته است. این تغییر بیانگر اهمیت اثر زمان لایهنشانی و وجود یک زمان بهینه در رشد لایه میباشد.
شکل:2 الگوی پراش XRD نمونههای مورد مطالعه.
برای بررسی دقیقتر خواص ساختاری به محاسبهی ثابتهای شبکه - a - با در نظر گرفتن جهتگیری ترجیحی - 111 - ، اندازه بلوکها - D - ، چگالی در رفتگیها - - و کرنشهای بلوری - - با توجه به روابط زیر پرداختهایم
که در آن d فاصله بین صفحات بلوری - 3/33 c - ، a ثابت شبکه، نیم پهنا در شدت بیشینه، D اندازه بلورکها، زاویه براگ و طول موج پرتو X است.
جدول :1 اندازه بلورک ها، میکروکرنش و چگالی دررفتگی های لایههای نازک
ثابت شبکه a برای این سه نمونه با استفاده از رابطه 1 در حدود 5/77 c بدست آمده است که قابل مقایسه با دیگر گزارشات میباشد .[10] تحلیل دادههای مربوط به میزان میکروکرنشهای بلوری و همچنین چگالی دررفتگیها در جدول ارایه شدهاند. این نتایج گویای آن است که با افزایش زمان لایه نشانی اندازه متوسط بلورکهای تشکیل شده کاهش یافته و در مقابل میزان دررفتگیها و کرنشهای بلوری رو به افزایش گذاشته اند.
ویژگیهای اپتیکی شکل 3 طیف عبور و جذب نمونههای مورد مطالعه را نشان میدهد. نتایج بدست آمده نشانگر آن است که در محدوده طول موج بالای لبه جذب، میزان عبور لایهها بیشتر از %75 است که می تواند به عنوان لایه پنجره در سلول خورشیدی مورد توجه قرار گیرد. تغییر موقعیت میزان عبور در این لایهها در ناحیه طول موج های بلند با توجه به نتایج جدول 1 می تواند ناشی از تغییرات رو به افزایش نواقص بلوری و نیز کاهش اندازه بلورک ها با افزایش زمان سنتز لایه نشانی باشد .[12] حضور عوامل یاد شده میتواند به علت پراکندگی بیشتر نور در هنگام عبور از لایه باشد.
شکل :3 طیف های عبور و جذب نمونههای مورد مطالعه.
به منظور محاسبه ی گاف نواری مستقیم - Eg - نمونه ها از رابطه تاک: -Eg - - ah - 2= A - h استفاده کرده ایم. با رسم منحنی - ah - 2 بر حسب h - شکل 4 الف - و تعیین محل برونیابی دادهها
