بخشی از مقاله
چکیده
فیلم های نازک اکسید روی آلاییده شده با منگنز با نسبت های مختلف منگنز به روی - 0/07 ،0/05 ، Mn/Zn = 0/03 - روی بستر شیشه ای با استفاده از روش اسپری پایرولیزز تهیه شدند.. اثر غلظت آلایش منگنز روی خواص اپتیکی فیلم ها مورد بررسی قرار گرفتند. طیف عبور فیلم ها توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر اندازه گیری شد. ثابت های اپتیکی و ضخامت فیلم ها بااستفاده ا زروش بهینه سازی نامقید نقطه گرا - puma - تعیین شدند. شفافیت فیلم های نازک ZnO:Mn یک افزایش شدیدی را در ناحیه طیف مریی برای - - Mn/Zn= 0/03 نشان داده و سپس برای نسبت های Mn/Zn برابر 0/05 و0/07 کاهش یافت.انرژی گاف نواری این فیلم ها بین3/15 eV و3/19 تغییر کرد. طرح پراش پرتو X فیلم های نازک ZnO:Mn برای بررسی خواص ساختاری استفاده شد.
کلمات کلیدی: اسپری پایرولیزز، اکسید روی آلاییده شده با منگنز ، خواص اپتیکی، خواص ساختاری کد دسته بندی مقاله: فیزیک حالت جامد و ماده چگال
مقدمه
فیزیک لایه نازک یکی از شاخه های فیزیک حالت جامد می باشد که امروزه به دلیل ساختار ویژه - هندسه دو بعدی و فیزیک سطح - در تکنولوژی سیستم های پیچیده اپتیکی ، الکتریکی ومغناطیسی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند . اخیرا لایه های نازک اکسید روی به علت داشتن خصوصیات برجسته ، مورد مطالعات گسترده ای قرار گرفته اند . فیلم نازک اکسید روی، نیم رسانای نوع n با گاف انرژی پهن eV - - وانرژی بستگی اکسیتونی بزرگ - 60meV - متعلق به دسته مهمی از اکسید های رسانای شفاف می باشد که به علت داشتن رسانایی الکتریکی وشفافیت بالا یک ماده ایده آل در ساخت سلولهای خورشیدی می باشد . در دما و فشار محیط اکسید روی دارای ساختار کریستالی ورتسایت است که این شبکه وابسته به گروه فضایی - 363mc - می باشد. به دلیل دارا بودن ثابت پیزو الکتریکی بالا در ترانزیستور های فرا صوت همچنین در قطعات اپتو الکترونیکی، الکترود های شفاف، حافظه های فرو الکتریکی، سنسورهای گازی، لیزرهای UV و... استفاده می شود. جدول 1 برخی از ویژگی های فیزیکی اکسید روی را نشان می دهد.
جدول: 1 خصوصیات فیزیکی ورتسایت اکسید روی ویژگی مقدار ثابت های شبکه در دمای اتاق co = 5/205 ao =3/250 جرم مولکولی 81/389 نقطه ذوب 2248 k جرم موثر الکترون 0/24 جرم موثر حفره 0/59
موبیلیتی الکترون در دمای اتاق 200 موبیلیتی حفره در دمای اتاق 5-50 یکی دیگر از کاربردهای گسترده فیلم های نازک اکسید روی در حسگر های گازی م ی باشد . این ماده در بسیاری از گازها در دماهای کنترل شده حساسیت دارد . تحقیقات زیادی روی اکسید روی توسط تکنیک های متنوع رشد فیلم انجام شده است که شامل روش هایی همچون انباشت با پالس لیزر [1]، انباشت شیمیایی بخار [2] - CVD - ،کندوپاش مگنترون [3]، تبخیر توسط باریکه الکترونی [4]، روش سل- ژل[5] و اسپری پایرولیزز می باشد . روش اسپری پایرولیزز به دلیل سادگی ، هزینه های پایین، اتلاف تولید کم، امکان پوشش سطح وسیعی از بسترها و سهولت تولید در صنعت، یکی از روش های مفید و پر کاربرد در تولید فیلم های نازک اکسید روی می باشد.
کارتجربی
فیلم های نازک اکسید روی آلاییده شده با منگنز روی بستر شیشه ای توسط تکنیک اسپری پایرولیزز تهیه شده اند . در این روش بستر های شیشه ای که فیلم ها روی آن ها تهیه شده اند روی یک سطح فیلامان قرار می گیرند و اتم سازی محلول اولیه برای اسپری کردن قطرات ریز تو سط نازل شیشه ای و به کمک هوای فشرده شده به عنوان گاز حامل صورت می گیرد . در طول انجام اسپری، دمای بستر توسط یک ترموکوپل کرمل آلومل - chromel alumel - کنترل می شود . آلایش اکسید روی توسط منگنز، از اضافه کردن استات منگنز به محلول استات روی به دست آمد . نسبت اتمی منگنز به روی 0/03 - Mn/Zn - ، 0/05 و 0/07 در نظر گرفته شد . برای انحلال بهتر استات روی از 25 ml متانول به اضافه 15 ml آب مقطر استفاده شد . برای بهینه کردن پارامتر های مختلف لایه نشانی مانند دمای بستر، نرخ شارش، غلظت محلول اولیه، حجم محلول و نوع حلال آزمایش های ب سیاری صورت گرفت . در نهایت فیلم هایی در دمای بستر 698 K، غلظت محلول 0/2 M ،سرعت شار 16 ml/min و حجم محلول 40 ml در نضر گرفته شدند.
مشخصه یابی فیلم نازک
پس ازتهیه فیلم ها ابتدا طیف تراگسیل آنها درمحدوده طول موج 200-800nm بااستفاده از دستگاه UV-VISمدل &$55<100 اندازه گیری شد. ثوابت اپتیکی - ضریب شکست و ضریب خاموشی - فیلم ها با استفاده از داده های تراگسیل تجربی به کمک روش بهینه سازی نامقید نقطه گرا - puma - ارائه شده توسط چامبولیرون وهمکارانش محاسبه شد .[6] پاشیدگی ثابت های اپتیکی نیز با استفاده از مدل کوشی برازش شد.[7] ساختار بلوری نمونه ها توسط دستگاه - Philips-pw-1830 - XRD با تابش cu-k به دست آمده است.
بحث ونتیجه مشخصه یابی اپتیکی
آلاییده شده با منگنز را نشان می دهد . در طیف تراگسیل فیلم نازک اکسید روی با نسبت اتمی Mn/Zn=0/03 شفافیت نسبتا بیشتری در ناحیه نور مرئی دیده می شود که با افزایش مقدار آلایش از شفافیت فیلم ها کاسته می شود. علت این امر را می توان کیفیت بلورینگی فیلم در Mn/Zn =0/03 ، باتوجه به نتایج به دست آمده از آنالیز پراش پرتو X دانست. کاهش طیف تراگسیل برای درصد های بالاتر آلایش می تواند به سبب ایجاد حالت های نقیصه در نوار ممنوعه اکسید روی و جذب تصادفی فوتون ها و به دنبال آن کاهش گاف نواری برای نمونه Mn/Zn= 0/07 دانست. شکل2تغییرات ضریب شکست و شکل3 تغییرات ضریب خاموشی فیلم هارابرحسب طول موج با استفاده از برازش مدل کوشی نشان می دهد .
مشاهده می شود که نمونه Mn/Zn=0/03 کمترین ضریب شکست در طول موج 550 nm را دارد و به ترتیب کمترین شکست را نمونه های Mn/Zn=0/05 و اکسید روی آلاییده نشده دارد و ضریب شکست برای نمونه Mn/Zn=0/07 بیشترین مقدار را دارد.
