بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، لایه های نازک سولفید مس بر روی زیرلایه شیشه با pH های مختلف 9/7 - ، 10/1 و - 10/5 به روش حمام شیمیایی تهیه شدند. تصاویر SEM نمونه ها نشانگر شکل گیری نانو-دانه هایی با ابعاد میانگین 50 تا 80 nm است. طیف های XRD نشان داد که هر سه نمونه دارای ساختار آمورف هستند. همچنین بررسی خواص ترموالکتریکی - اثر سیبک - نمونه ها موید رسانندگی الکتریکی نوع p آنهاست. سرانجام تحلیل خواص اپتیکی نشان داد که، بر اساس خواص الکتریکی و تشکیل دنباله ی نواری، گاف نواری اپتیکی نمونه ها در بازه 2/53 eV - 2/30 تغییر یافته است.
مقدمه
در بین انواع نانوساختار ها، نانوساختار های تهیه شده از نیمرسانا های کالکوژنی به خاطر مشخصات فیزیکی ویژه از جمله ضریب جذب بالا در مقایسه با نمونه های کپه ای، دارای قابلیت کاربردی متعدد در زمینه هایی همچون رنگدانه ها, سلول های خورشیدی، سلول های الکتروشیمیایی و دستگاه های فلوئورسنت می باشند 1] و .[2 لایه های سولفید مس به عنوان یکی از مواد نیمرسانای کالکوژنی، غالبا با رسانندگی نوع p، در کاربرد های گوناگون از قبیل کنترل کننده و جاذب نور خورشید، کاتالیست، پوشش الکترو-رسانش و همچنین به عنوان حسگر گازی مورد استفاده قرار گرفته است
لایه های سولفید مس در دمای اتاق دارای پنج فاز پایدار در محدوده بین دو حالت غنی از مس Cu2S و کمبود مس CuS2 واقع است. این پنج فاز عبارتند از: کوولیت - CuS - ، آنالیت - Cu1.75S - ، دایجنیت - Cu1.8S - ، دیجورلیت - Cu1.95S - و کالکسیت 4] - Cu2S - و .[5 شکل گیری هریک از این فاز ها می تواند تابع پارامتر های مختلف نظیر دمای لایه نشانی، نوع زیرلایه، روش رشد و یا سایر پارامتر های لایهنشانی باشد. برای تهیه این ماده از تکنیک های بسیاری نظیر اسپری پایرولیز [1]، حمام شیمیایی [6]، رسوب دهی شیمیایی بخار [7]، هیدروترمال [8] و... استفاده شده است. در این میان روش حمام شیمیایی - CBD - به دلیل سادگی تکنولوژی و پایین بودن هزینه از توجه بسیاری برخوردار است.
در این مقاله ما لایه های نازک سولفید مس را به روش حمام شیمیایی بر روی زیرلایه شیشه تهیه نموده و اثر pH محلول را بر مورفولوژی سطح، خواص ساختاری، الکتریکی، ترموالکتریکی و اپتیکی آن ها مورد بررسی قرار داده ایم.
جزئیات کارهای آزمایشگاهی لایه های نازک سولفید مس بر روی زیرلایه ی شیشه 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 استون، اتانول و آب مقطر در دستگاه آلتراسونیک به مدت 20 دقیقه قرار گرفتند. محلول آبی شامل 10 ml کلرید مس - CuCl2.2H2O - ، 5 ml تری اتانول آمین ، 16 ml آمونیاک - NH3 - ، 10 ml سدیم هیدروکسید، 6 ml تیوره 1 مولار - SC - NH2 - 2 - و 53 ml آب مقطر برای تهیه لایه های نازک سولفید مس استفاده شده است که این محلول در یک بشر 100 ml به صورت همگن و یکنواخت همزده شده و زیرلایه ها در دمای اتاق - 25°C - به مدت 4 ساعت در محلول فوق به طور عمودی غوطه ور بوده اند.
در این تحقیق غلظت pH محلول به ازای مقادیر 9/7، 10/1 و 10/5 - بترتیب نمونه های S1، S2 و - S3 به عنوان پارامتر متغیر مورد مطالعه قرار گرفته است .
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 10-80 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.
برای تعیین مقاومت سطحی نمونه ها از دستگاه آنالیز الکتروشیمیایی مدل PGS 2065 در گستره ی ولتاژ -2 تا 2 استفاده شده است.
نتایج و بحث الف - مورفولوژی سطح
شکل 1 تصاویر FESEM لایه های های مورد بررسی را نشان می دهد. این تصاویر نشانگر آن است که سطح لایه ها در نمونه های S1 و S2 به طور نسبتا یکنواخت با دانه هایی کروی به ترتیب با ابعاد میانگین حدود 50 و 80 nm بوده و نمونه S3 دارای سطحی نسبتا صاف است که بر روی آن ذراتی با ابعاد میانگین 150 تا nm 200 پوشیده شده است.ی در این شکل همچنین با توجه به تصاویر مقطع عرضی - تصاویر ستون سمت راست - ضخامت لایه ها در این نمونه ها به ترتیب 210 ، 310 و 350 nm می باشد.
شکل :1 تصاویر FESEM نمونه های مورد بررسی.
ب - ویژگی های 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 هر سه نمونه دارای ساختار آمورف هستند. این امر می تواند ناشی از پایین بودن دمای رشد - دمای اتاق - نمونه ها در محلول باشد.
ج - خواص ترموالکتریکی
شکل 3 نمودار تغییرات ولتاژ-دما حاصل از داده های اثر سیبک در لایه های مورد بررسی را نشان می دهد.
شکل :3 مشخصه ولتاژ-دما - اثر سیبک - در نمونه های رشد داده شده.
این داده ها گویای آن است که نمونه های فوق همگی دارای رسانندگی نوع p هستند. منشاء این رسانندگی می تواند ناشی از کمبود یون های مس در نمونه های رشد داده شده باشد .
د - خواص الکتریکی
شکل 4 نمودار تغییرات جریان-ولتاژ نمونه های رشد داده شده را نشان می دهد. این نتایج نشان می دهد که مقاومت الکتریکی سطحی نمونه S3 از بیشترین مقدار و نمونه S2 از کمترین مقدار - 3/3 k / - برخوردار است. این تغییرات می تواند گویای تفاوت در تراکم حامل های بار آزاد در نمونه ها ناشی از تراکم توزیع ترازهای ناکاملی های شبه-پذیرنده ذاتی - کمبود یون های مس - در لایه سنتز شده در نزدیکی لبه نوار ظرفیت باشد. بدیهی است هر چه مقاومت الکتریکی نمونه کمتر باشد به معنی آن است که تراکم ترازهای شبه-پذیرنده در نزدیکی لبه نوار ظرفیت کمتر بوده و در نتیجه پهنای دنباله نواری در آن باریکتر خواهد بود. با توجه به این نکته در نمونه های با مقاومت الکتریکی بیشتر انتظار می رود پهنای دنباله نواری افزایش پیدا کند.
شکل :4 مشخصه جریان-ولتاژ در نمونه های رشد داده شده.
د - ویژگی های اپتیکی
شکل 5 طیف های عبور و جذب اپتیکی لایه های مورد بررسی را نشان می دهد. بر اساس این داده ها چنانچه انتظار می رود نمونه ی با ضخامت بیشتر - S3 - دارای عبور اپتیکی کمتر اما جذب اپتیکی بیشتری در مقایسه با نمونه ی با ضخامت کمتر - S1 - برخوردار است.
شکل :5 طیف های عبور و جذب اپتیکی در لایه های مورد بررسی.
با استفاده از داده های مربوط به طیف جذب - A - می توان ضریب جذب لایه ها را با در نظر گرفتن ضخامت لایه ها - L - و استفاده از رابطه α = 2.304*A/L محاسبه کرد .
