بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، به بررسی خواص ساختاری و اپتیکی لایه های نازک سولفید مس که با نسبت های مولی مختلف مس به گوگرد - 0/33 و - 0/43 به روش اسپری پایرولیزیز بر روی زیرلایه شیشه تهیه شده اند، پرداخته ایم. طیف XRD در این نمونه ها ساختار بلوری هگزاگونال با فار بلوری CuS - covelite - را نشان می دهد. اندازه گیری طیف های عبوری و بازتاب نشان می دهد که لایه با غلظت گوگرد کمتر از ضریب عبور و بازتاب پایین تری در ناحیه مرئی و فروسرخ برخوردار است. همچنین محاسبات انجام شده نشانگر آن است که این ماده دارای گاف نواری غیر مستقیم بوده به طوری که با کاهش غلظت گوگرد مقدار آن از 1/76 به 1/ 70eV کاهش می یابد.
مقدمه
در سال های اخیر لایه های نازک نیمرسانای کالکوژنی به خاطر کاربردهای گسترده شان در زمینه های متعددی از علوم و تکنولوژی مورد توجه روز افزونی قرار گرفته اند که پیامد آن کاهش جدی در هزینه تولید قطعات نیمرسانا می باشد. CuxS به عنوان یک نیمرسانای کالکوژنی دوتایی با خواص الکترونیکی، اپتیکی و شیمیایی منحصر به فرد، ماده ای نویدبخش در سلول های خورشیدی در تبدیل فوتو الکترو-گرمایی انرژی خورشیدی [1] و نیز به عنوان فیلترهای گزیننده نور در زمینه طراحی و معماری پنجره ها - برای کنترل نور خورشید در مناطق گرمسیر - [2 ] مورد توجه زیادی قرار گرفته است.
با توجه به گزارش های منتشر شده، لایه های رشد داده شده می توانند به صورت فازهای بلوری گوناگونی شامل covelite - CuS - ، anilite - Cu1.75S - ، digenite - Cu1.8S - ، djuleite - Cu1.95S - و chalcocite - Cu2S - ظاهر شوند.[3] این خصوصیات اغلب با استفاده از ترکیب فازی CuxS که وابسته به تناسب عنصری و دمای لایه نشانی می باشد تعیین می شود.
اخیرا ویژگیهای پوشش های کنترل کننده نورخورشید در صنایع شیشه سازی برای کاربردهای معماری در مناطق گرمسیری مورد بررسی قرار گرفته است. این لایه ها باید دارای ضریب عبور در بازه 10 تا 30 درصد در ناحیه مرئی به منظور فراهم نمودن روشنایی مناسب درون ساختمان و نیز بازتاب نسبتا پائین a %10 برای اجتناب از تابش خیره کننده نور در مجاورت ساختمان در زمان تابش مایل نورخورشید بر سطح پنجره باشند.[4]
با توجه به مقالات منتشر شده پراکندگی نسبتا وسیعی در تعیین گاف انرژی در نوع، مستقیم و یا غیر مستقیم، و مقادیر وابسته به آنها بترتیب: 5] 3 eV - 1/2، 6 و [7 و8] 1/55 eV - 1/0 و[9 وجود دارد. این امر می تواند متاثر از ساختار و فاز بلوری ماده در ترکیب شیمیایی لایه رشد داده شده باشد. لایه های نازک سولفید مس با روش های مختلفی از قبیل الکتروانباشت، روش لایه نشانی تبخیر شیمیایی، روش لایه نشانی حمام شیمیایی و... بر روی بسترهای مختلفی تهیه شده است.[10] دراین مطالعه به بررسی تاثیرغلظت گوگرد برخواص ساختاری و اپتیکی لایه های نازک سولفید مس تهیه شده با روش اسپری پایرولیزیز خواهیم پرداخت..
کارهای آزمایشگاهی
محلول آبی شامل استات مس - Cu2 - OAc - 4 - H2O - 2 و تیوره - SC - NH2 - 2 - برای تهیه لایه های نازک CuS استفاده شده است. نسبت های مولیCu:S:1:3=0/33 و Cu:S:1:2/28=0/43 برای بررسی تاثیر غلظت در محلول اولیه در نظر گرفته شد. آهنگ شارش محلول 7cc/min و فشار گاز حامل هوا 2 /5 bar تنظیم شد و در دمای260 oC لایه نشانی شدند. در این مطالعه مشخصه یابی ساختاری نمونه ها با استفاده از پراش پرتو ایکس - XRD - وابسته به
خط طیفی CuK با طول موج 1/5405 آنگستروم درگستره زوایه ای =10°-70° 2 و مشخصه یابی اپتیکی لایه ها با استفاده از طیف نگاری UV-VIS در محدوده طول موجی 1100- 300 نانومتر انجام شد..
نتایج و بحث مطالعه خواص ساختاری لایه ها
شکل های 1- a و 1- b به ترتیب الگوی XRD لایه های تهیه شده با نسبت های مولیCu:S:0/33 و Cu:S: 0/43 را نشان می دهند. این نتایج پراش از صفحات - 102 - ، - 103 - و - 110 - فاز - CuS - Covelite با ساختار بسبلوری هگزاگونال برای این دو نمونه است. این طیف ها همچنین نشانگر رشد لایه هایی تک فاز با تناسب عنصری تقریبا کامل CuS در شرایط x 1 است که در توافق با دیگر گزارشات [10] برای لایه های با ترکیب مشابه است.
شکل :1 طیف XRD لایه های نازک CuS تهیه شده از نسبت های مولی مختلف Cu به 0/33 - a - S و 0/43 - b -
در این نمونه ها اندازه دانه ها - D - با توجه به موقعیت قله بیشینه و پهنای کل - زاویه ای - در مقداربیشینه Z
- FWHM - بر حسب رادیان در رابطه شرر [10] قابل محاسبه است:در این رابطه k یک ضریب ثابت و تقریبا مساوی با یک اختیار می شود. اندازه دانه ها برای لایه های تهیه شده با نسبت های مولیCu:S:0/33 و Cu:S: 0/43 به ترتیب 29/4 و 21/6 نانومتر به دست آمده است. بزرگی این ابعاد می تواند بر دیگر خواص فیزیکی لایه ها از جمله خواص اپتیکی آنها تاثیر بگذارد که در ادامه به بررسی آن می پردازیم.
مطالعه خواص اپتیکی لایهها
شکل های 2 الف و ب به ترتیب طیف عبوری و بازتابی را برای نمونه های مورد مطالعه نشان می دهد.
شکل:2 طیف های عبوری - الف - و بازتابی - ب - نمونه های مورد مطالعه.
همانگونه که در شکل 2 الف پیداست، نمونه های با نسبت های مولیCu:S :0/33 و Cu:S :0/43 ، در طول موج 570 نانومتر دارای بیشینه عبور نسبتا پایینی به ترتیب در حدود 18 و 7 درصد و مقادیری بسیار کمتری از این در ناحیه فروسرخ هستند. متناظر با چنین روند تغییراتی توسط دیگر محققین نیز گزارش شده است 5] و8 و.[10 با توجه به قرارگیری موقعیت طیف های وابسته به عبور اپتیکی این نمونه ها ملاحظه می شود ترتیب آنها با روند تغییر ابعاد دانه ها در این نمونه ها متناظر است به طوری که نمونه با بیشترین ابعاد دانه ای دارای بیشترین عبور اپتیکی و لایه با کوچکترین اندازه دانه ای از کمترین عبور اپتیکی برخوردار می باشد.
بزرگی ابعاد دانه ها در نمونه می تواند به اثرکاهش پراکندگی فوتونها بدلیل نظم بلوری بهتر لایه ها نسبت داده شود و از این رو موجب افزایش میزان عبور نور در لایه می-شود. طیف بازتاب نمونه ها - شکل 2ب - نشان می دهد که در گستره نور مرئی مثلا در طول موج 550 نانومتر میزان بازتاب لایه ها در محدوده 10 تا 20 درصد متغیر است که نمونه با غلظت گوگرد کمتر - - 0/43 از ضریب بازتاب کمتری بر خوردار است. چنانچه از اصول نظری اپتیک انتظار می رود این تغییرات در میزان بازتاب از یک لایه می تواند منتسب به بزرگی ضریب شکست آن لایه باشد. به منظور تحقیق این مورد، نخست از رابطه :[2]
برای محاسبه ضریب خاموشی K استفاده کردیم. در این رابطه ضریب جذب نمونه ها با استفاده از رابطه - 3 -
محاسبه شده است: به طوری که t ضخامت لایه نازک می باشد. سپس به کمک رابطه :[2]
تغییرات ضریب شکست نمونه ها محاسبه شدند. همان طور که از معادله - 3 - پیداست به منظور تعیین ضریب جذب و به کار گرفتن آن در معادله - 2 - ، در بدست آوردن ضریب خاموشی، نیازمند به تعیین ضخامت لایه ها هستیم. این کار با کمک نرم افزار پوما امکانپذیر است. نتایج محاسبات ما حاکی از آن است که ضخامت لایه ها در این نمونه ها بترتیب کاهش میزان گوگرد عبارتند از: 330 و 300 نانومتر. تغییرات ضریب جذب نمونه های مورد مطالعه در شکل 3 نشان داده شده است. با تعیین تغییرات ضریب خاموشی و نیز استفاده از معادله - 4 - تغییرات ضریب شکست نمونه ها قابل محاسبه خواهند بود
شکل :3 تغییرات ضریب جذب در نمونه های مورد بررسی - معادله . - 4 چنانچه پیداست در ناحیه نور مرئی این کمیت در محدوده 3×104 تا 1×105 cm-1 قرار گرفته است.
