بخشی از مقاله
چکیده
دراین پژوهش به بررسی پارامتر های موثر بر روی تولید لایه نازک اکسید مس توسط دستگاه کندوپاش مغناطیسی جریان مستقیم با هندسه استوانه ای پرداخته ایم. گاز آرگون با درصد خلوص بسیار بالا - - %99.9 بعنوان گاز کاری و نسبت های متفاوت گاز اکسیژن بعنوان گاز واکنشی استفاده شده است. همچنین زیرلایه های متفاوت استیل و BK7 برای لایه نشانی بکار گرفته شده است. درصدهای مختلف گاز اکسیژن %5، %10 و %20 در محفظه ی عمل تزریق شده است.
سپس برای بررسی نتایج حاصل از فرآیند کند و پاش آنالیزهای متفاوتی را انجام داده ایم. برای بررسی ساختار بلوری و فازی و غلظت اتمی، آنالیزهای XRD و EDX، برای بررسی مورفولوژی و دانه بندی، آنالیز AFM، برای بررسی خواص اپتیکی - ضریب جذب و شکاف نواری - آنالیز اسپکتروفوتومتری و برای بررسی ضخامت لایه ها از دستگاه پروفایلمتراستفاده کرده ایم. نتایج نشان می دهند که با افزایش درصد گاز اکسیژن ضخامت لایه ها کاهش می یابد. تشکیل فازهای Cu2O و CuO بستگی به درصد گاز اکسیژن تزریقی در حین لایه نشانی دارد. مورفولوژی و زمختی سطح نیز تحت تاثیر میزان گاز اکسیژن اضافه شده قرار می گیرد. بروز خواص نیمرسانایی در درصدهای بالاتر گاز واکنشی اکسیژن مشاهده می گردد.
مقدمه
اکسید مس - Cu2O - از معدود نیمرساناهای ذاتی نوع p با گاف نواری باریک مستقیم 2/09 eV دارای ساختار مونوکلینیک با شفافیت جزئی در محدوده ی نور مرئی به شمار می آید. لایه های نازک اکسید مس مورد علاقه ی کاربردهای فوتوولتائیک می باشد و می تواند در قطعات اپتیکی نظیر سلول های خورشیدی مورد استفاده قرار گیرد. این ماده همچنین به دلایلی نظیر فراوانی ماده ی اولیه،غیر سمی بودن، قیمت پایین و توانایی تغییر و بهینه سازی خواص فیزیکی آن با استفاده از روش های مختلف فیزیکی و شیمیایی نظیر رسوب بخار شیمیایی، افشانه ی تبخیر حرارتی، کند و پاش پلاسمایی و غیره مورد توجه قرار گرفته است.
این ماده یکی از اکسیدهای معدنی مهم به منظور بکارگیری در قطعاتی همچون سلول های خورشیدی، قطعات الکتروکرومیک و حسگرهای گازی محسوب می شود. در این تحقیق به بررسی اثر
درصد گاز اکسیژن در خواص لایه نازک تشکیل شده به روش کندوپاش مغناطیسی DC می پردازیم. در سالهای اخیر گزارشهای معدودی در زمینه یافتن میزان بستگی فاز تشکیل شده و خواص اپتیکی لایه اکسید مس به میزان گاز اکسیژن اضافه شده در فرآیند کند و پاش ارائه شده است .[1-3] در این تحقیق اندازه گیری غلظت اتمی، بررسی زمختی، مورفولوژی و ضخامت لایه های تولید شده از جمله کارهای جدید انجام شده در مقایسه با کار سایرین بوده است.
آزمایش ها:
برای ایجاد لایه های نازک اکسید مس در این پژوهش از دستگاه کندوپاش مغناطیسی جریان مستقیم با هندسه استوانه ای استفاده نموده ایم. گاز کندوپاش کننده مورد استفاد برای تحقق این امر، گاز آرگون با درصد خلوص بسیار بالا - %99.9 - ، به همراه نسبت های متفاوت گاز اکسیژن 5 - و10 و20 درصد - بعنوان گاز واکنشی است. همچنین از زیرلایه های متفاوت استیل و BK7
برای لایه نشانی استفاده شده است. سپس برای بررسی نتایج حاصل از فرآیند کند و پاش آنالیزهای ضخامت سنجی، پراش اشعه ی ایکس، میکروسکوپ نیروی اتمی و اسپکتروفوتومتری را انجام داده ایم.
نتایج اندازه گیری ضخامت
در آنالیز ضخامت سنجی با استفاده از دستگاه پروفایلمتر واقع در دانشگاه شهید بهشتی، ضخامت لایه ها را پنج مرتبه در قسمت های مختلف هر نمونه انجام دادیم و در نهایت میانگین گیری کرده æ ضخامت میانگین و خطای استاندارد را برای هر آزمایش بدست آوردیم. نتایج در شکل 1 نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که با افزایش درصد گاز اکسیژن ضخامت لایه ها کاهش می یابد. این نتیجه را می توان به اکسید شدن هدف مسی و کاهش نرخ کند æ پاش مرتبط دانست.
نتایج آنالیز پراش اشعه ی ایکس:
برای بدست آوردن مشخصات فازی و بلوری نمونه ها در درصدهای مختلف گاز اکسیژن، از دستگاه XRD واقع در مرکز تحقیقات فیزیک پلاسما استفاده کردیم. همانطور که در شکل 2 مشخص است برای زیرلایه ی استیل، پیک های -Fe منطبق بر کارت PDF استاندارد 397-33 مشاهده گردید. همچنین پیک های مس نیز در همین مکان ها قرار دارند. با تشکیل لایه نازک مس در حضور گاز آرگون پیکهای زیرلایه ی استیل با شدت بیشتری دیده می شوند که علت این مسئله، تشکیل فاز بلور مکعبی مس است.
درنتیجه زوایای 43/5 و 50/9 ، به صفحات - 111 - و Cu - 200 - مرتبط می گردند. در حضور %5 گاز اکسیژن، پیکی در زاویه ی 37/06 وجود دارد که طبق کارت استاندارد 34-1354 PDF به ساختار مکعبی Cu2O با ثابت شبکه یa=4/217 و صفحه - 111 - مربوط می شود. کاهش شدت پیک ها نسبت به حالت قبل می تواند به اکسید شدن هدف مسی و درنتیجه کاهش نرخ کندوپاش و متعاقب آن کاهش ضخامت لایه نسبت داده شود.
در حضور %10 گاز اکسیژن علاوه بر کاهش شدت، یک پیک جدید در زاویه ی2 = 35/38 درجه ظاهر می شود که طبق کارت استاندارد 45-937 ساختار مونوکلینیک CuO در صفحه ی - 002 - با پارامترهای شبکه ی a=4/6853، b=3/4257 و c=5/1303 می باشد. در حضور %20 گاز اکسیژن نیز، همان پیک های نمونه %10 با کاهش شدت وجود دارند.همانطور که مشاهده می شود پیک زاویه 35/38 کاهش پیداکرده که باز هم می تواند به دلیل اکسید شدن هدف باشد.
نتایج آنالیز میکروسکوپ نیروی اتمی:
در این مرحله توسط دستگاه AFM واقع در مرکز تحقیقات فیزیک پلاسما، به بررسی توپوگرافی و مورفولوژی سطوح نمونه هایی که زیرلایه ی استیل با نسبت های مختلف گاز اکسیژن به عنوان گاز واکنشی داشتند، پرداختیم. شکل 3 مورفولوژی و توپوگرافی سطوحی را نشان می دهند که گاز کندوپاش آن فقط آرگون - الف - و مخلوط گاز آرگون با %5 اکسیژن - ب - می باشد. با مقایسه ی دو شکل 3 - الف - و - ب - می توان گفت که با تزریق %5 گاز اکسیژن به محفظه، شکل سطح بطور کامل تغییر کرده است. دانه ها حالت خوشه ای خود را از دست داده اند و بصورت منفرد و بزرگتر ظاهر شده اند.
نتایج آنالیز اسپکتروفوتومتری:
در این مرحله با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتری واقع در مرکز تحقیقات فیزیک پلاسما، به بررسی مشخصات اپتیکی نمونه ها با زیرلایه های BK7 پرداختیم. شکل 4 مربوط به درصد عبور نمونه های مختلف می باشد. همانطور که مشاهده می شود، نمونه های با گاز واکنشی %5 اکسیژن، و بدون حضور اکسیژن درصدهای عبور نزدیک به صفری دارند. ظاهرا در این دو شرایط گازی، لایه ما حالت رسانا دارد و در نتیجه درصد عبور صفر یا نزدیک به صفر خواهد داشت.
شکل:3 آنالیز میکروسکوپ نیروی اتمی برای نمونه های - الف - گاز کندوپاش آرگون %99/99 و - ب - آرگون به همراه %5 گاز واکنشی اکسیژن و اما برای حالت های 10 درصد و 20درصد گاز اکسیژن همانطور که مشاهده می شود درصد بالایی از عبور را خواهیم داشت. توجیه این مسئله، تبدیل حالت رسانا به حالت نیمرسانا در این لایه ها به دلیل حضور لایه اکسید می باشد. برای نمونه های 10 و %20 گاز اکسیژن، چون ماده از حالت رسانا خارج شده و نیمرساناست، مفهمومی به نام شکاف نواری وجود دارد. در شکل 5، نمودار - K - 2 براساس انرژی فوتون ها - - K رسم شده است.
