بخشی از مقاله
چکیده
لایههای نازک روی اکسید کاربردهای فراوانی در زمینههای مختلف مانند حسگرها و سلولهای خورشیدی دارند. این لایهها میتوانند بستر مناسبی برای رشد انواع نانوساختارهای ZnO فراهم کنند. لایههای نازک با ساختار دانهای بستری پرکاربرد برای سنتز نانومیلهها و نانوسیمهای روی اکسید است. در این پژوهش لایههای نازک ZnO به روش بسیار آسان سل ژل و تکنیک غوطه وری ساخته شدند، و اثر عوامل مختلف مانند غلظت سل، سرعت بالاکشیدن زیرلایه و شرایط خشک شدن نمونهها بر مورفولوژی این لایهها بطور مدون بررسی گردید. نتایج آنالیز داده های میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM - نشان داده که اگر غلظت سل بالا باشد - 0.5 M - ، سطح لایههای ساخته شده ساختار رشتهای خواهد داشت. نمونههایی که سرعت بالاکشیدن زیرلایه بیشتر بوده و همچنین نمونههایی که در دمای اتاق خشک شدند، زبری سطح بیشتری داشتند. با کاهش غلظت سل، ضخامت لایههای بدست آمده کمتر شده و در غلظت کمتر از 0.2 M ساختار رشتهای به ساختار دانهای تبدیل میشود. به کمک تصاویر AFM اندازه دانهها 50 5 nm تخمین زده شد. یکدست و یکنواخت بودن لایههایی که ساختار دانهای دارند به کمک طیف عبور اپتیکی آنها نیز تایید گردید.
کلمات کلیدی: روی اکسید، سل ژل، لایه نازک، ساختار دانهای
مقدمه
روی اکسید نیمه رسانایی با گاف انرژی 3/3 الکترون ولت است که کاربردهای فراوانی در حوزه های مختلف مانند حسگرها [1]، سلولهای خورشیدی [2] ، وسایل اپتوالکترونیکی [3] و ... دارد. امروزه توجه زیادی به نانوساختارهای این ماده شده است. در میان نانوساختارهای گوناگون روی اکسید، نانومیلهها و نانوسیمهای آن به دلیل نسبت سطح به حجم بالایی که دارند و همچنین به دلیل مسیر مناسبی که برای ترابرد حاملهای بار الکتریکی دارند، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند .[5 ,4] برای تهیه نانومیلهها و نانوسیمهایی که بر روی یک بستر بصورت عمود بر آن و با آرایش منظم رشد کرده باشند، معمولا از تکنیک ایجاد یک لایهی دانهای1 استفاده میشود .[7 ,6]
این لایهی دانهای هستههای رشد را برای ایجاد ساختار منظم نانومیلهها و نانوسیمها ایجاد میکند و در صورت نبود این لایهی دانهای رشد نانوساختارهای یک بعدی بصورت نامنظم و کاتورهای خواهد بود.روش های گوناگونی مانند اسپاترینگ [8]و سل ژل [9] برای ایجاد لایهی دانهای ZnO وجود دارد که در میان آنها روش سل ژل به دلیل ساده و ارزان بودن مقرون به صرفه تر از دیگر روش هاست. گرچه روش سل ژل و تکنیک غوطه وری در مقایسه با روشهای دیگر لایهنشانی، روشی نسبتاً سادهتر است، اما عوامل زیادی بر کیفیت لایهی نازک ZnO که به این روش تهیه میشوند تأثیر میگذارند.
این عوامل عبارتند از: غلظت سل اولیه، عامل پایدار کننده، سرعت بالاکشیدن زیرلایه، دمای خشک کردن، دمای پخت و غیره. هر کدام از این عوامل تاثیر بسزایی بر ساختار سطح لایهی نازک ZnO دارند. برای بدست آوردن لایه نازک روی اکسید با ساختار دانهای باید تاثیر این عوامل به دقت بررسی گردد.در این پژوهش تاثیر غلظت اولیه سل، سرعت بالا کشیدن زیرلاله و شراط خشک کردن نمونهها بر ساختار سطح لایههای نازک روی اکسید به کمک آنالیز میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM - بصورت مدون بررسی شده است. و در نهایت با بهینه کردن این عوامل، ساختار دانهای منظم بدست امده است. این ساختار دانهای بستری بسیار مناسب برای رشد نانوساختارهای یک بعدی مانند نانومیلهها و نانوسیمها خواهد بود.
روش و شرح مواد
برای ساخت سل ZnO ، زینک استات دو آبه - Zn - CH 3COO - 2.2H2O, Merck - با خلوص %99، اتانول % 99/9 - ،C2H5OH ,Merck - به عنوان حلال استفاده شد. مونواتانول آمین - MEA2 - بعنوان پایدار کننده مورد استفاده قرار گرفت. تمام مواد بدون هیچ گونه خالص سازی اضافی مورد استفاده قرار گرفتند.زینک استات دو آبه در غلظتهای متفاوت در مخلوطی از اتانول و پایدارکننده در دمای 60 درجهی سانتیگراد به مدت 30 دقیقه به طور یکنواخت با همزن مغناطیسی هم زده شد. پس از هم زدن، محلولی شفاف و همگن به دست آمد، که برای رسیدن به ویسکوزیته لازم، محلول به مدت 24 ساعت قبل از لایه نشانی به طور ساکن در محیط اتاق باقی ماند. پس از آماده شدن سل، عملیات لایه نشانی انجام میشود.
لایه های نازک ZnO با تکنیک غوطه وری3 روی زیرلایه های تمیز شیشه ایجاد شدند. مدت زمان غوطهوری زیرلایه در سل، 2 دقیقه انتخاب گردید. برای بدست آوردن مورفولوژی های مختلف، پارامترهای غلظت سل، سرعت بالاکشیدن زیرلایه و شرایط خشک شدن لایه ها در مقادیر مختلف انتخاب گردید. برای دستیابی به لایه ای چگالتر و محکمتر وهمچنین کریستاله شدن لایه، تمام نمونهها پس از لایهنشانی و خشک شدن، در دمای 500 C پخت شدند تا آب و الکل موجود در آنها تبخیر شود. به این منظور، لایه ها درون کوره و در محیط هوا حرارت داده شدند، به طوریکه در مدت 70 دقیقه، دمای کوره از دمای اتاق به500 C رسید. سپس لایهها به مدت یک ساعت در دمای 500 œC باقی مانده و پس از آن کوره را خاموش شده و بلافاصله در آن باز شود تا نمونهها به سرعت سرد شوند.
ویژگیهای اپتیکی نمونههای ساخته شده و همچنین طیف جذب محلولهای متیلن آبی، به کمک دستگاه اسپکتروفتومتر Jasco V530 UV بررسی گردید. به منظور مطالعه توپوگرافی سطح نمونههای ساخته شده، از میکروسکوپ نیروی اتمی - Thermo - AFM, Microscope Autoprobe CP-Research استفاده شد. برای تحلیل نتایج AFM بدست آمده و بدست آوردن پارامترهای سطح، از نرم افزار - Scanning Probe Image Processor - ویرایش 4.2.0.0 استفاده گردید. به منظور مطالعه مورفولوژی لایههای ساخته شده، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM, JEOL JSM 7001F - بکارگرفته شد. ساختار کریستالی نانوساختارهای روی اکسید سنتز شده با استفاده از آنالیز پراش اشعه ایکس - Philips, PW 1800 - - XRD - 1 مطالعه گردید.
نتایج و بحث ها
ساختار کریستالی لایههای نازک بدست آمده به کمک آنالیز XRD بررسی گردید. طیف XRD لایه نازک تهیه شده به روش غوطه وری که غلظت اولیه زینک استات در آن 0/5 M بوده و زیرلایه با سرعت 1/4 mm/sبالا کشیده شده و در دمای اتاق خشک شده بود، در شکل 1 نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده میشود، در این طیف بوضوح قله هایی در 2 31.86 ' 34.48 و 36.33° ظاهر شده است، که به ترتیب متناظر با صفحههای کریستالی - 100 - ، - 002 - و - 101 - از فاز کریستالی وورتزیتZnO 2 هستند. این داده ها بخوبی با کارت کریستالوگرافی به شماره 2205-079 سازگاری داشته و سنتز ساختار شش ضلعی وورتزیت ZnO را تایید میکند .[10]
