بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، لایه های نازک سولفید کادمیم بر روی زیرلایه های "شیشه" و "FTO" به روش حمام شیمیایی تهیه شدند. تصاویر FESEM نشانگر تاثیر زیرلایه بر مورفولوژی و تغییر اندازه ریز دانه ها بوده به طوری که ابعاد میانگین آنها در این نمونه ها به ترتیب از 20 به 30 nm تغییر یافته است. مشخصه یابی ساختاری آنها حاصل از طیف نگاری XRD بیانگر ساختار آمورف در هر دو لایه است. تحلیل خواص اپتیکی نشان می دهد که گاف نواری اپتیکی لایه ها تحت تاثیر محدودیت کوانتومی، به ترتیب، از حدود 2/30 به 2/20 eV تغییر کرده اند.
مقدمه
سولفید کادمیم - CdS - یکی از مهمترین نیمرساناهای گروه II-VI با پهنای گاف نواری مستقیم در حدود 2/0 eV در دمای اتاق است. CdS به دلیل گاف نواری متوسط، پایداری، قیمت پایین و همچنین به دلیل دارا بودن ویژگی های نوری و الکترونوری، کاربرد زیادی در طراحی، تهیه و ساخت ادوات اپتیکی و الکترواپتیکی دارد .[1] از مهمترین این ادوات می توان به سلول های خورشیدی [2]، حسگرهای گازی [3]، ترانزیستورهای نیمرسانا و غیره اشاره کرد. روش های مختلفی برای تهیه لایه های نازک CdS وجود دارد که از مهمترین آنها می توان به سل-ژل، لایه نشانی حمام شیمیایی - CBD - ، تبخیر گرمایی، اسپری پایرولیز، کندوپاش با فرکانس [4] Rf اشاره نمود.
در بین این روش ها، روش لایه نشانی حمام شیمیایی به دلیل مزیت های گوناگون از جمله: سادگی فرایند ساخت، عدم نیاز به تجهیزات و شرایط خاص مانند خلاء، سهولت در کنترل پارامترهای موثر بر فرایند ساخت و پایین بودن دمای لایه نشانی که موجب کاهش انرژی مصرفی و آسیب نرسیدن به زیرلایه می شود، توجه محققین را به خود جلب کرده است
در موارد مختلف غالبا گزارشاتی از لایه نشانی لایه ی مورد نظر بر روی زیرلایه های مختلف از جمله: شیشه، شیشه پوشش داده شده با لایه ی نازکی از ITO - In2O3 :Sn - و یا لایه ای نازک از FTO - SnO2:F - به روش رسوب گذاری حمام شیمیایی تهیه می شود. در مورد لایه نازک سولفید کادمیم - - CdS نیز به همین منوال مقالاتی از رسوب گذاری آن بر روی زیرلایه های شیشه، سیلیکون و ITO گزارش شده است
ما در این تحقیق لایه نازک سولفید کادمیم را به روش حمام شیمیایی بر روی زیرلایه های شیشه و FTO - که در حد جستجوی ما گزارشی در این مورد ارائه نگردیده است - تهیه نموده و خواص فیزیکی آنها را باهم مقایسه کرده ایم.
جزئیات کارهای آزمایشگاهی
لایه های نازک CdS بر روی زیرلایه های شیشه و FTO به روش حمام شیمیایی لایه نشانی شدند. قبل از لایه نشانی ابتدا زیرلایه ها با آب و صابون شستشو داده شده و در بشر حاوی اتانول، استون و آب مقطر در دستگاه آلتراسونیک قرار گرفتند. . زیرلایه ها در دمای 60oC و pH=11 به مدت 2/5 ساعت در محلول فوق به طور عمودی غوطه ور بوده اند. انتظار می رود فرآیند تشکیل لایه نازک طی واکنش های زیر صورت گیرد :
در این تحقیق به بررسی تاثیر نوع زیرلایه های مختلف شامل: شیشه و FTO - بترتیب نمونه های S1 و - S2 به عنوان پارامتر متغیر پرداخته ایم.
برای شناخت مورفولوژی سطح نمونه ها از دستگاه FESEM مدل S.4160 استفاده شده است. به منظور مشخصه یابی نمونه ها از پراش پرتو X توسط دستگاه - D&Advance Bruker وابسته به خط طیفی Cu. با طول موج 0/15406 nm و زاویه 2 در گستره 10-70 درجه و برای سنجش طیف های عبور و جذب نوری نمونه ها در گستره طول موجی 300-1100 nm از دستگاه اسپکتروفوتومتر UV.Vis .,Shimadzo - 1800 استفاده کرده ایم.
نتایج و بحث الف - مورفولوژی سطح
شکل 1 تصاویر FESEM لایه های مورد بررسی را نشان می دهد.
این تصاویر نشانگر آن است که سطح لایه ها از دانه هایی متشکل
از ریز-دانه هایی کوچکتر می باشد به طوری که ابعاد دانه ها در نمونه های S1 وS2 به ترتیب در حدود 50 و 80 nm و ابعاد ریز- دانه های زیرمجموعه آنها در حدود 20 تا 30 nm است. علت افزایش ابعاد ریز-دانه ها در نمونه ی S2 می تواند ناشی از وجود یک زیرلایه بلورین در این نمونه در مقایسه با زیرلایه شیشه با ساختار آمورف باشد. علاوه بر این چنانچه پیداست سطح نمونه ی S2 از تخلخل و زبری بیشتری در مقایسه با نمونه ی S1 برخوردار است. این ناصافی ها در سطح لایه، چنانچه در بخش "خواص اپتیکی" نمونه ها مورد بحث قرار گرفته است، می تواند در پراکندگی نور و در نتیجه میزان عبور نور از لایه ها تاثیر گذار باشد.
شکل :1 تصاویر FESEM نمونه های مورد بررسی در دو مقیاس 1 m و .500 nm
ب - خواص ساختاری
برای بررسی ویژگی های ساختاری نمونه ها از الگو های پراش پرتو X استفاده شده است. شکل 2 طیف XRD نمونه های رشد یافته را نشان می دهد.
شکل :2 طیف XRD نمونه های تحت بررسی.
نتایج بدست آمده از این طیف حاکی از آن است که نه تنها لایه رسوب گذاری شده بر روی شیشه - نمونه - S1 دارای ساختار بی شکل - آمورف - است، بلکه همچنین نمونه S2 نیز از ساختار آمورف برخوردار می باشد. علت این امر ناشی از این واقعیت است که کلیه قله های تشکیل شده که در الگوی پراش این نمونه در شکل 2 مشاهده می شود متعلق به قله های منتسب به زیرلایه FTO با فاز بلورین چهار گوشی - تتراگنال - است. شکل گیری فاز
آمورف از لایه سولفید کادمیم در این دو نمونه می تواند ناشی شرایط لایه نشانی و به ویژه دمای پایین محلول - 60 oC - در حمام شیمیایی باشد.
ج - خواص اپتیکی
شکل 3 طیف عبور اپتیکی لایه های مورد بررسی را نشان می دهد. لازم به ذکر است که در استخراج طیف های نوری تهیه شده از دستگاه اسپکتروفوتومتر برای نمونه ی S2 نمونه ی شاهد، نمونه ی همانندی از FTO بوده است.
شکل :3 طیف عبور اپتیکی در نمونه های مورد بررسی.
نتایج بدست آمده نشانگر آن است که میزان عبور اپتیکی در نمونه ی S2 در مقایسه با نمونه ی S1 کاهش پیدا کرده است. این تغییرات همانطور که در بخش "مورفولوژی سطح" نمونه ها اشاره شد می تواند ناشی از پراکندگی بیشتر فوتون ها بر اثر تخلخل بیشتر در نمونه ی لایه نشانی شده بر اثر حضور لایه بس بلور FTO در نمونه S2 در مقایسه با لایه رسوب گذاری شده بر روی شیشه با ساختار آمورف - نمونه - S1 باشد.
شکل :4 طیف جذب اپتیکی در لایه های مورد بررسی.
