بخشی از مقاله
چکیده :
آرایه ای از نانوسیم های اکسید روی از طریق لایه نشانی فلزطلا در محیط خلاء بر روی زیر لایه فلز روی به همراه اکسایش حرارتی در هوا در دمای 400 oC و به مدت 4 ساعت ساخته شد. پراش پرتو ایکس مجموعه ای از پیکهای معینی مطابق با ساختار وتزایت اکسید روی نشان داد. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخص می کند که نانو سیم های اکسیدروی با طول چندین میکرون تشکیل شده اند. مطالعات طیف سنجی فتوگسیل اشعه ایکس نشان داد اتم های Au و Zn در حالت اکسید هستند. مطالعه گسیل میدانی الکترون از طریق ساختار دیودی در فشار 1 x 10-8 mbar صورت پذیرفت.
مقدار میدان عطف مطابق تعریف برای چگالی گسیل جریان الکترون 0.1 µA/cm2 ، 2.4 V/µm بدست آمد. نمودار فولر - نوردهیم - - F- N رفتار غیر خطی را در کل محدوده میدان اعمال شده مطابق با رفتار ذاتی گسیل کننده های نیمه هادی نشان داده است.
مقدمه
نانوساختارهای یک بعدی مثل نانولوله های کربنی و نانو سیم های نیمه رسانا به واسطه خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد، جهت کاربرد در قطعات فتونیک و الکترونیک مورد توجه می باشند. در میان انواع ساختارهای نیمه رسانا، نیمه رسانای اکسیدروی - - ZnO به دلیل داشتن نقطه ذوب بالا، خواص مکانیکی خوب، پایداری در محیط ، هدایت الکترونیکی مناسب، الکترون خواهی پائین، نسبت طول به قطر بالا و کنترل در قسمت انتهایی ساختار به هنگام ساخت بسیار مورد توجه قرار گرفته است .[1] نانو ساختارهای اکسید روی دارای ساختار پایدار وتزایت بوده که قابلیت کاربری وسیعی از قبیل دیودهای نوری [2]، لیزرها [3]، پیزوالکتریک [4]، سنسورهای شیمیایی [5] و در قطعات با پایه گسیل میدانی الکترون دارد
در چند سال گذشته ساخت نانوساختارهای اکسید روی به روشهای مختلفی توسط گروههای پژوهشی متفاوتی گزارش شده است. بعضی از این روشها عبارتند از لایه نشانی لیزری [8]، لایه نشانی بخار شیمیایی[9]، تبخیر حرارتی [10] و لایه نشانی الکتروشیمیایی .
بطورکلی ، ناخالص سازی ZnO ، بوسیله جایگزین کردن یون های Zn2+ با یون های عناصر با ظرفیت های مختلف بطور مثال Li1+ ، Mn2+ و Sn4+ انجام گرفته است. اگرچه حضورعنصرناخالص ساز در ZnO درمقالات مختلف پیشنهاد شده است اما تاثیراضافه کردن ویا ناخالص سازی برویژگی های ساختاری و خواصی همچون الکتریکی ، مغناطیسی و نوری در نانوساختارهای ZnO هنوز هم یک موضوع بحث انگیز است.
بر همین اساس پژوهش حاضر گزارشی از تاثیر عنصر طلا بررسی خواص سطحی نانوسیم های اکسیدروی است که از طریق لایه نشانی فلزطلا در محیط خلاء بر روی زیر لایه فلز روی به همراه اکسایش حرارتی در هوا در دمای 400 oC و به مدت 4 ساعت ساخته شده است.
نانوسیم های ZnO بوسیله روش های زیر ساخته شده است:
- 1 ورقه های روی Alfa Aesar % 99.99 - - ، که بعنوان زیر لایه استفاده میگردد، بصورت فراصوتی دراستون و متانول به مدت 10 دقیقه درهرمحلول تمیز شدند
- 2 یک لایه نازک ازطلا - به ضخامت تقرباًی 60 نانومتر - ازطریق روش تبخیردرخلا درفشار پایه mbar 1×10-5 ، بر روی زیر لایه فلز روی لایه نشانی شد. ضخامت لایه طلا بااستفاده از روش Taley-step - تیلور- هابسون - اندازه
گیری شد. این لایه نازک بعنوان کاتالیست برای رشد نانوساختارهای ZnO استفاده می شود - 3 بعد از رسوب طلا ، زیر لایه ها در کوره ، بدون ایجاد خلا قرارداده می شوند و برای اکسایش در هوا به مدت 4 ساعت در دمای400 oC قرار می گیرند.
جهت بررسی مشخصه های لایه اکسید روی ایجاد شده از دستگاههای پراش پرتو ایکس - XRD, D8 - Advance Bruker AXS - ومیکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM , JEOL , JSM - 6360A - استفاده گردید. ترکیب عناصر روی سطح لایه ZnO بوسیله اندازه گیری طیف سنج فتوگسیل اشعه ایکس - XPS, VG Microtech ESCA3000 - درفشارپایه mbar 1×10 -10 با استفاده از چشمه . 0J وهمچنین از طریق طیف سنج پراکندگی انرژی پرتو ایکس - EDS - متصل به میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی گردید. جریان گسیل میدانی الکترون نسبت به ولتاژ اعمالی و نسبت به زمان از طریق ساختار دیودی در محفظه ای که دارای خلاء 1×10-8 mbar بوده به دست آمد. در ساختار دیودی لایه اکسید روی ایجاد شده به عنوان کاتد، موازی صفحه نیمه شفاف فسفری که به عنوان آند در نظر گرفته مئ شود
با فاصله 1mm از یکدیگر قرار گرفت. اندازه گیری جریان به وسیله پیکومتر - keithley 485 - و ولتاژ اعمال شده به وسیله منبع تغذیه جریان - - 0 - 40kV, Spellman انجام شد.
روش آزمایش نتایج وبحث
طیف پراش پرتو ایکس نمونه ساخته شده در شکل - 1 - نشان داده شده است. این طیف که حاوی مجموعه ای از پیکهای مرتبط با ساختار وتزایت اکسید روی بوده، بر اساس مقایسه مقادیر مشاهده شده محل پیکها با مقادیر استاندارد شاخص گذاری شده است. همچنین در این طیف پیکهای مرتبط به فلز طلا و آلیاژ طلا-روی شاخص گذاری شده است.
در شکل - 2 - ، تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داده شده است. در این تصویر حضور نانو سیم هایی در کل سطح نمونه به وضوح مشخص می باشد. اکثرنانو سیم ها به صورت عمودی در سطح نمونه جهت گیری شده اند. قطر نانو سیم ها در محدوده 1-200 nm بوده وطول آنها چندین میکرومترهستند. مطالعه طیف پراکندگی انرژی پرتو ایکس حضور اتم های Zn ، O و Au را نشان می دهد وهیچ نوع پیکی برای مواد دیگر نمایان نکرده است.
شکل :1 طیف پراش پرتو ایکس اکسید روی پس از اکسایش حرارتی است.
شکل :2 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی اکسید روی پس از اکسایش حرارتی است.
پیوندهای شیمیایی Au ، Zn و O موجود در لایه های حرارت داده شده ، بوسیله تکنیک XPS مشخص شدند. انرژی
پیوند ازطریق دریافت پیک - 285eV - C 1s بعنوان مرجع تنظیم گردید. درشکل 3 - a-c - طیف هایی با قدرت تفکیک بالا برای Au 4f- Zn 3P, Zn 2P و O1s نشان داده شده است. طیف Au 4f-Zn 3p - شکل - 3a یک برآمدگی درجهتی با مقدار انرژی پیوندی کم را نشان میدهد. این طیف را می توان به چهار طیف مجزا به ترتیب به نام های Au 4f7/2 - 83.4eV - ، Au 4f5/2 - 84.4eV - برای طلا و Zn 3p3/2 - 88.7eV - ، Zn 3p2/3 - 91.6eV - برای روی تجزیه کرد.
با محاسبه مساحت سطح زیر طیف های Au 4f مشخص میگردد که 5 درصد اتم های Au فلزی بصورت اکسید می باشند. انرژی طیف های Zn 2p3/2 و Zn 2p1/2 به ترتیب در 1022.2eV و 1045.2eV قرارگرفته که درشکل 3 b نشان داده شده است. همچنین طیف O 1s درشکل 3c نشان داده شده است. می توان این طیف را به دلیل عدم تقارن به دو جزء با انرژی پیوندی 530.6eV و 532.2eV تفکیک کرد که می تواند به ترتیب تشکیل پیوندهای O-Zn و O-H بر روی سطح بدهد.
پیوندهای O-H می توانند ناشی از تشکیل پیوند ضعیف اکسیژن درسطح - اکسیژن جذب شده یا گروه های - O-H یا یون های O-2 درنواحی با اکسیژن کم دخالت داشته باشند. تشکیل O-Zn ، دریون های O-2 درشبکه ZnO دخالت دارد. این نسبت، 43:57 می باشد که نشان می دهد تنها %57 ازیون های اکسیژن در شبکه ZnOبصورت کاملاً اکسیده هستند که ناشی از نواقص شبکه درلایه ها - مانند جاهای خالی اکسیژن ، روی بین شبکه ای ، جاهای خالی روی و اکسیژن بین شبکه ای - خواهد بود.
