بخشی از مقاله
چکیده
لایههای نازک کادمیم سلنید به روش رسوب حمام شیمیائی بر روی زیر لایهی شیشه در محلول شیمائی با pHهای مختلف از pH=11/23 تا pH=12/20 تهیه شدهاند. عوامل زمان رسوبگیری، دمای رسوبگیری و غلظت کادمیم 0/4 مولار و غلظت سدیم سلنو سولفیت 0/2 مولار در نظر گرفته شده اند. گاف انرژی لایه-های نازک CdSe با استفاده از طیف جذبی مرئی- فرابنفش تعیین شد. گاف انرژی ازEg=2/37 eV برایpH=11/23 تا Eg=1/85 eV برای pH=11/90 روند کاهشی داشته است.
خصوصیات ساختاری و ریخت شناسی سطوح با پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی پویشی - SEM - و میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM - مطالعه شده است. همچنین ناهمواری سطوح با استفاده از آنالیز AFM برای نمونههای ساخته شده تعیین شد. مطالعات پراش پرتو ایکس ساختار مکعبی شکل با بیشترین شدت در جهت - 1 1 1 - را نشان داد. اندازه کریستال از D= 2/8 nm برای pH=11/23 تا D= 3/3 nm برای pH=11/90 افزایش پیدا کرده است و از D= 3/3 nm برای pH=11/90 تا D=1/8 nm برای pH=12/20 کاهش یافته است. نتایج آنالیز AFM و SEM نشان میدهد که لایههای نازک از ذرات غیریکنواخت کروی پوشیده شده است. استوکیومتری و تغییر غلظت عناصر Cd و Se با ضخامت لایهها در عمق نمونه بوسیله طیف سنجی پس پراکندگی رادرفورد بررسی شد. نسبت Cd به سلنیوم - Cd:Se - در1:1 pH=11/90 است.
مقدمه
نانو بلورهای CdSe در ساختار شش گوشی وورتسایت و همچنین در ساختار مکعبی سولفید روی شکل میگیرند. طول موج نور گسیلی متناظر با حالت انبوهه کادمیم سلنید 716 nm می
باشد.[1] بلور جامد نیمهرسانای کادمیم سلناید ترکیبی دوتایی از عناصر کادمیم و سلنیوم است که کاربردهای فراوانی در صنعت دارد. این ماده برای استفاده در ابزارهای اپتوالکترونیکی، دیودهای لیزری [2]، آشکارسازهای اشعه گاما [3] و تصویربرداری زیست- پزشکی[4] به کار رفته است. نیمهرسانای CdSe همچنین در سلولهای خورشیدی با کارآیی و بازده بالا قابل استفاده میباشد.[5] در کار تحقیقاتی حاضر نتایج حاصل از تاثیر تغییر pH بر روی زیر نمونههای CdSe تهیه شده به روش حمام شیمیائی مورد بررسی قرار میگیرد.
روش کار
موادی که در این پژوهش از آنها استفاده شده عبارتند از: استات کادمیمCd - CH3COO - 2 ، سلنیم - Se - ، سدیم سولفیت , - Na2SO3 - آمونیاک - %25NH 3 - ، اتانول، آب یک بار تقطیر تهیه شده در آزمایشگاه، زیر لایه شیشهای. لایههای نازک کادمیم سلنیوم به روش رسوب حمام شیمیائی بر روی زیر لایهی شیشه لایه نشانی میشوند. قبل از لایه نشانی زیر لایه ها را درون یک بشر حاوی الکل - اتانول - و آب مقطر به نسبت 1 به 2 قرار میدهیم.
سپس ظرف حاوی زیرلایهها را در دستگاه اولتراسونیک قرار میدهیم و در مرحله آخر تک تک زیر لایهها را با استون شسته و کاملا خشک مینماییم. برای تولید یون Cd+2، 50 ml کادمیم استات با غلظت 0/4مولار درست میکنیم سپس در حالیکه محلول را با سرعت یکنواخت توسط چرخنده مغناطیسی بههم میزنیم آمونیاک %25 را قطره قطره به آن اضافه میکنیم. ابتدا رنگ محلول شیری رنگ میشود بعد از اینکه آمونیاک بیشتر اضافه کردیم رنگ محلول شفاف میشود. سپس pH محلول را اندازه گیری میکنیم.
pH محلول با توجه به مقدار آمونیاک اضافه شده تغییر میکند. برای تولید یون Se-2 ، 50ml سدیم سلنو سولفیت با غلظت 0/2 را به محلول قبلی اضافه می- کنیم. سپس زیر لایهها را به صورت عمودی درون ظرف قرار می- دهیم. حال بشرهای حاوی زیرلایهها و محلول نهایی را برای رسوبگیری در آون و در دمای 60 درجه سانتیگراد میگذاریم. رابطه شیمیائی محلول نهائی به صورت زیر است:
روشهای مشخصه یابی نمونه
با استفاده از طیف سنجی پس پراکندگی رادرفورد ضخامت لایهها اندازه گیری شد با اندازهگیرهای صورت گرفته جهت تعیین ضخامت لایهها متوجه شدیم که ضخامت لایهها از pH=11/23
تا pH=11/90 افزایش یافته است و از pH=11/90 تا pH=12/20 کاهش مییابد. همچنین از طیف RBS جهت تعیین غلظت عناصر Cd و Se در هر عمقی از لایه استفاده کردیم که نتایج آن در شکل - 1 - نشان داده شده است.
همانطور که در شکل - 1 - میبینیم در نمودار - a - از سطح نمونه تا ضخامت در حدود 100nm غلظت کادمیم خیلی بیشتر از سلنیوم هست، از ضخامت 100nm تا ضخامت 3900nm غلظت کادمیم نسبت به سلنیوم مقداری بیشتر است و با یک نسبت تقریبا ثابتی تغییر کرده است از ضخامت 3900nm تا 6200nm غلظت کادمیم وسلنیوم کاملا با هم برابر است در ضخامت های بعد از 6200nm غلظت کادمیم و سلنیوم خیلی کم شده و عملا میتوان آنرا نادیده گرفت. در نمودار - b - از سطح نمونه تا ضخامت در حدود 1000nm غلظت کادمیم نسبت به سلنیوم به مقدار کمی بیشتر است، از ضخامت1000nm تا 2000nm غلظت کادمیم و سلنیوم با هم برابر بوده است و از ضخامت 2000nm به بعد غلظت کادمیم و سلنیوم خیلی کم شده و عملا میتوان مقدار آنرا نادیده در نظر گرفت.
در نمودار - c - از سطح نمونه تا ضخامت در حدود 100nm غلظت کادمیوم خیلی بیشتر از سلنیوم است، از ضخامت 100nm دو بعدی نشان میدهد که ذرات بصورت تقریبا کروی تشکیل شده و اندازه آنها یکسان نیست بنابراین لایههایمان باید حتما ناهمواری شکل :1 نمودار، ضخامت بر حسب درصد غلظت - b - pH=11/23 - a - pH=12/20 - c - pH=11/90 تا ضخامت 1700nm غلظت کادمیم نسبت به سلنیوم به مقدار اندکی بیشتر بوده، از ضخامت 1700nm تا 2100nm غلظت کادمیم و سلنیوم برابر بوده و از ضخامت 2100nm به بعد به علت اینکه غلظت کادمیم و سلنیوم کم بوده عملا میتوان آنرا نادیده در نظر گرفت.
با توجه به سه نمودار فوق میتوان گفت نمونه با pH=11/90 غلظت کادمیم و سلنیوم بطور تقریبی با هم برابر است. تصاویر SEM لایههای نازک کادمیم سلناید در pH های مختلف بر روی زیر لایهی شیشهای در شکل - 2 - نمایش داده شده است. نتایج SEM سطح لایههای نازک نشان میدهد که ذرات CdSe بصورت تقریبا کروی تشکیل شده است. از pH=11/23 تا pH=11/90 فقط نانو ذره تشکیل شده، تعداد نانوذرات بیشتر شده و دانهها به سمت کلوخهای شدن میروند. در pH=12/20 علاوه بر نانو ذره، نانو سیم هم تشکیل میشود ولی تعداد نانو ذرات آن کمتر است.
شکل : 2 تصاویر SEM از لایه های نازک CdSe با pH های مختلف با بزرگنمایی pH=12/20 - c pH=11/90 - b pH=11/23 - a 2 ʽm شکل - 3 - تصاویر AFM گرفته شده از لایههای نازک CdSe با زیر لایه شیشه در pH=11/90 و pH=12/20 را نشان میدهد. تصاویر شکل - a :3 تصویر دوبعدی AFM لایه با - b pH=11/90 تصویر دو بعدی لایه با pH=11/90 ، - c تصویر سه بعدی لایه با - d pH=11/90 تصویر سهبعدی لایه با pH=12/20 داشته باشند.
تصاویر سهبعدی ناهمواری سطوح را نشان میدهد. مقادیر RMS وRmax لایهها در جدول - 1 - آمده است RMS انحراف معیار مقطع عرضی ناهمواری است و Rmax از مجموع ماکسیمم مقدار گودی و ماکسیمم مقدار بلندی در مقطع عرضی ناهمواری بدست می آید. با استفاده از مقادیر Rmax میتوان ضخامت لایهها را برآورد کرد. Rmax از لایه با pH=11/90 تا لایه با pH=12/20 کم شده نتایج بدست آمده در توافق خوبی با نتایج ناشی از RBS است.
مشخصه یابی پرتو ایکس روی نمونههای مختلف حاصله انجام شده است و طرح پراش نمونهها گواه ساختار بلوری و شبکهای آنهاست. الگوی XRD برای فیلمهای نازک CdSe همانطور که در
شکل - 4 - نشان داده شده و با مقایسهای که با الگوی استاندارد آن انجام شده ساختار بلوری آن مکعبی است و بیشترین شدت در زاویه 25/35درجه و در صفحه - 1 1 1 - تشکیل میشود. دومین
شدت در زاویه 42/01 درجه و در صفحه - 2 2 0 - تشکیل میشود.
