بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ابتدا لایههای نازک نانومتری اکسید کادمیم - CdO - به ضخامت متوسط 120 نانومتر بر روی زیرلایههای شیشهای با روش سل-ژل رشد داده شدند. سپس لایههای آماده شده در دماهای 200، 250، 300، 350 و 400 درجهی سانتیگراد بازپخت شدند. خواص اپتیکی و ساختاری این نمونه ها با استفاده از نتایج حاصل از اندازه گیری های انجام شده با دستگاههای اسپکتروفتومتر - - UV-VIS، پراش پرتو - XRD - X و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - بررسی شده است. نتایج این مطالعه نشان می دهد که عملیات بازپخت می تواند منجر به بهبود خواص ساختاری لایه ها و همچنین تغییر خواص اپتیکی آنها شود.
کلید واژه- اکسید کادمیم، اکسیدهای رسانای شفاف، سل-ژل، لایه نازک کد 310-0310 - PACS
1 مقدمه
لایههای نازک اکسیدهای رسانای شفاف به دلیل عبور قابل توجه نور مرئی - حدود - %90 و نیز رسانش الکتریکی بسیار خوب - a10-4 FP - کاندیداهای مناسبی برای ساخت قطعات اپتوالکترونیکی میباشند. در سالهای اخیر ترکیب نیمرسانای اکسیدکادمیم - CdO - به دلیل داشتن رسانایی الکتریکی خوب و عبور بالا در ناحیهی طیف مرئی به عنوان یک ماده مطلوب جهت ساختن سلولهای خورشیدی، مورد توجه قرار گرفته استCdO .[1] تنها نیمرسانا از گروه ترکیباتII-IV با ساختار بلوری مکعبی است[2]، که دارای گاف نواری مستقیم با انرژی 2/2-2/7 eV و گاف نواری غیرمستقیم با انرژی 1/98 eV می باشد3]،.[4
لایههای نازک CdO با روشهای مختلفی نظیر تجزیهگرماییافشانهای، تبخیر حرارتی در خلا، کندوپاش و سل-ژل تهیه میشوند.[5] در بین روشهای مطرح برای رشد لایه های نازک، امروزه روش سل - ژل به دلیل صرفه اقتصادی و نیز سادگی اجرای آن به عنوان یک روش شیمیایی- فیزیکی مناسب برای رشد نیمرساناهای شفاف، مورد توجه پزوهشگران قرار گرفته است. در این کار، ابتدا لایههای نازک CdO به روش سل-ژل روی زیر لایههای شیشهای انباشت شدند. سپس نمونههای آماده شده در دماهای مختلف تحت عملیات بازپخت قرار گرفتند. سرانجام تاثیر عملیات بازپخت در دماهای مختلف بر روی خواص ساختاری و اپتیکی این لایهها بررسی و گزارش شده است.
-2 نحوهی آزمایش وتهیهی لایهها
برای تهیه محلول، از استات کادمیمدوآبه به عنوان منبع کادمیم، متانول به عنوان حلال، گلیسیرین برای شفاف سازی و تریاتیلنآمین به عنوان پایدارکننده استفاده شده است. فرایند تهیه محلول، در مرجع [6] به طور کامل گزارش شده است. عملیات لایهگذاری در دمای اتاق، 20 ساعت پس از تهیهی سل به روش غوطهوری بر روی زیرلایههای شیشهای انجام گرفت. زیرلایهها با سرعت 8 سانتی متر بر دقیقه از سل بیرون آورده میشود. سپس این نمونهها در یک کورهی الکتریکی با دمای 100 درجهی سانتیگراد به مدت یک ساعت خشک سازی شدهاند . این عملیات برای تمام نمونهها 10 بار تکرار گردید و در نهایت نمونههای آماده شده در دماهای 200، 250 ، 300 ،350 و400 درجهی سانتیگراد در یک کورهی الکتریکی در فشار معمولی به مدت یک ساعت بازپخت شدند.
برای بررسی خواص اپتیکی نمونه ها ، طیف عبور آنها با استفاده از یک دستگاه طیف سنج مدل - UV- 160 - شرکت Shimadzu بدست آمدند. بررسی خواص ساختاری و مورفولوژی نمونهها به ترتیب توسط یک دستگاه پراش اشعه X مدل - Bruker AXS-B8-Advance - و یک دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - شرکت هیتاچی - S-4160 - انجام شده است. ضخامت متوسط لایهها با استفاده از تئوری چامبلیرون و همکاران محاسبه شد. در این روش برای کار با نرمافزار باید یک سری اطلاعات اولیه در مورد لایهی مورد نظر را برای آن تعریف کنیم. به همین دلیل دانستن محدودهی پارامترهایی چون ضخامت، ضریب شکست، ضریب میرایی و دادههای طیف عبور اپتیکی برای رسیدن به ضخامتی قابل قبول، مورد نیاز است.[7]
-3 بررسی خواص ساختاری
در شکل 1 پراش پرتو X نوعی ثبت شده برای لایههای بدون بازپخت و بازپخت شده در دماهای 200، 350، 400 درجهی سانتیگراد نشان داده شده است. همانطور که در این شکل دیده می شود، نمونه بدون بازپخت کاملا آمورف بوده و در طیف XRD آن هیچ قله ای که نشانگر تشکیل ساختار بلوری باشد مشاهده نمی شود. اما ظهور قلههای مربوط به پراش از صفحات - 111 - و - 200 - درنمونهی بازپخت شده در دمای 200 درجهی سانتیگراد نشانگر تشکیل ساختار چند بلوری اکسیدکادمیم میباشد. همانطور که در این شکل دیده میشود با افزایش دمای بازپخت تا 400 درجه سانتیگراد شدت قلههای مربوط به پراش از صفحات - 111 - و - 200 - افزایش یافته و قلههای دیگری ناشی از پراش از صفحات - 220 - و - 311 - نیز ظاهر میشوند. این نتایج نشان میدهد که تمام لایههای بازپخت شده چندبلوری بوده و دارای ساختار مکعبی سدیم کلرید می باشند.
همچنین برای تمام نمونه ها جهت [111] نسبت به سایر جهتها برتری دارد. نتایج بدست آمده از اندازهگیریهای XRD در توافق با گزارشات دیگران می باشد 4]، .[8 بهبود کفیت بلوری لایه ها با افزایش دمای بازپخت ممکن است به دلیل تبخیر مواد آلی موجود در محلول اولیه از لایه های انباشت شده باشد. ابتدا در دمای بازپخت اولیه 200 - درجه سانتیگراد - قسمتی از مواد آلی محلول اولیه - به غیر از گلیسیرین که نقطه جوش آن 290 درجهی سانتیگراد است - تبخیر و از سطح لایه زدوده میشود و سپس با افزایش دمای بازپخت تا 400 درجه سانتیگراد گلیسیرین باقی مانده در لایه نیز تبخیر می شود.
که در این رابطه طول موج پرتوX،پهنای قله پراش درنیم بیشینه، زاویه براگ و K مقداری ثابت و برابر 0/9 می باشند. اندازه متوسط بلورک ها با استفاده از رابطه فوق و قله مربوط به پراش از صفحات - 111 - بین 15 تا 25 نانومتر بدست آمد. مقادیر بدست آمده نشان میدهند که اندازه بلورک ها با افزایش دمای بازپخت افزایش مییابد که نشانگر بهبود ساختار بلوری نمونه ها با افزایش دمای بازپخت است. این نتیجه با گزارشات سایر گروههای تحقیقاتی در توافق است8]، .[10برای بررسی مرفولوژی نمونهها تصاویری از سطوح آنها با استفاده از یک دستگاه SEM ثبت شده است. در شکل 2 یک تصویر SEM نوعی از نمونهی بازپخت شده در دمای 350 درجهی سانتیگراد نشان داده شده است. این تصاویر تشکیل نسبتا یکنواخت تودههای CdO تقریبا کروی شکلی را نشان می دهند که هر توده از آنها شامل چندین بلورک است.
4 بررسی خواص اپتیکی
برای بررسی خواص اپتیکی نمونهها طیف تراگسیل آنها در بازه طول موجی بین 300 تا 900 نانومتر ثبت شد. نتیجه این اندازهگیریها در شکل 3 نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل دیده میشود، درصد عبور نمونهها در ناحیهی طول موجی 900-700 نانومتر در حدود %80 و در ناحیه طول موجی 500-700 نانومتر بین %50 تا %80 می باشد که با افزایش طول موج از لبه جذب به آرامی تغییرمی کند. این ممکن است به این دلیل باشد که جذب درمحدوده گافنواری هم به گافنواری مستقیم و هم به گافنواری غیرمستقیم مربوط است.
این شکل نشان میدهد که با افزایش دمای بازپخت و افزایش اندازهی بلورکها، به دلیل پدیدهی اثر حبس کوانتمی لبهی جذب به سمت طول موجهای بلندتر - انرژی کمتر - جابجا شده است. این نتایج باگزارشات سایر گروههای تحقیقاتی در توافق می باشد 8]، 10، .[11 همانطور که اندازهگیریهای XRD نشان دادند با افزایش دمای بازپخت کیفیت بلوری نمونهها افزایش می یابد که این مسئله با چگال تر شدن لایه ها همراه است و احتمالا کاهش عبور با افزایش دمای باز پخت به این دلیل می باشد.[12]برای محاسبه گاف نواری نمونه ها ابتدا ضریب جذب نوری - - آنها در بازه طول موجی اندازه گیری شده با
