بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه لایههاي نازك اکسیدروي آلائیده به هافنیوم به روش لایهنشانی غوطهوري تهیه گردیدند و خواص اپتیکی و ساختاري آنها، توسط آنالیزهاي XRD و UV-Vis بررسی شدند. با افزایش غلظت هافنیوم، ساختار بلوري بهبود پیدا نمود. بررسیهاي اپتیکی نشان داد که نمونه آلائیده درصد اتمی داراي شفافیت خوبی در ناحیه مرئی و جذب بالایی در ناحیه فرابنفش است که میتواند این ماده را گزینه مناسبی براي کاربردهایی مانند حفاظت در برابر پرتوهاي فرابنفش نماید.
مقدمه
در سالهاي اخیر فیلمهاي نازك مواد نیمرسانا مثل In2O3,SnO2 و ZnO به دلیل خواص نوري و الکتریکی عالی و کاربردهاي فراوانشان در زمینههاي مختلف، بسیار مورد بررسی قرار گرفته اند.[1-4] در بین آنها ZnO یک ضدباکتري زیست سازگار، غیرسمی، ارزان قیمت و فراوان است، که به عنوان یک نیمه هادي ترکیبی نوع n با ساختار ورتزایت هگزاگونال، باند گاف پهن eV - - 3.37 و انرژي تحریک بزرگ - 60 meV - بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
[5-12] ناخالصیها و میزان غلظت آنها نقش مهمی را در بهبود خواص ساختاري، الکتریکی، مغناطیسی و مخصوصاً اپتیک لایههاي نازك ZnO ایفا میکنند. Hf به عنوان یک عنصر واسطه از گروه IV جدول تناوبی مادهاي غیر سمی و بیضرر است که میتواند خواص الکتریکی و ساختاري لایههاي نازك ZnO را بهبود بخشد .[13] این ناخالصی نسبت به سایر ناخالصیها کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است.[13-15] در این مقاله، لایههاي نازك ZnO آلایش یافته با غلظتهاي مختلف ناخالصی Hf به روش غوطه وري تهیه نموده و اثر ناخالصی را روي خواص ساختاري و اپتیکی بررسی میکنیم.
کارهاي آزمایشگاهی
لایههاي نازك HZO توسط روش سلژل-لایهنشانی فروبري، روي زیرلایه شیشهاي آماده شدند. مواد اولیه شامل استات روي دو آبه [Zn - CH3COO - 2.2H2O] به عنوان منبع روي، پروپانول[C3H8O] به عنوان حلال، تري اتانول آمین[C6H15NO3] به عنوان تثبیت کننده و هافنیوم کلراید - HfCl4 - به عنوان ناخالصی با خلوص بالا - شرکت مرك آلمان - استفاده شدند. در ابتدا مقدار معین 0.5 مولار استات روي در پروپانول در دماي اتاق بر روي همزن مغناطیسی حل شد.
سپس چند قطره از تري اتانول آمین به تدریج به محلول اضافه شد و اجازه داده شد تا توسط همزن مغناطیسی به طورکامل حل و شفاف شود. به منظور مطالعه تاثیر غلظت ناخالصی Hf روي خصوصیات لایههاي نازك ZnO، از غلظت هاي 0، 0.5، 1 و 2 درصد اتمی استفاده شد. سپس براي نشاندن لایه هاي نازك، زیرلایههاي شیشهاي پس از تمیز شدن، به روش لایه نشانی غوطهوري، پوشش داده شدهاند. سپس نمونهها کاملاً خشک گردیدند و در دماي 350 درجه سانتیگراد در کوره الکتریکی کلسینه شدند.
نتایج
الف - نتایج ساختاري
همانطور که در شکل دیده میشود قلههاي پراش همهي نمونهها در توافق خوبی با الگوي استاندارد پراش ورتزایت ZnO بوده و در جهت - 101 - بیشترین رشد را از خود نشان دادند - شکل - . - 2 - b نمونه داراي 1 درصد اتمی ناخالصی هافنیوم مقدار کمی شیفت به سمت راست پیدا کرد که این به علت استرس ناشی از قرار گرفتن یون هافنیوم و برگتر بودن شعاع یونی آن نسبت به یون Zn در شبکه میباشد. همچنین نمونه 1 درصد ناخالصی بیشترین و بهترین شدت بلورینگی را از خود نشان داد و این میتواند به معناي مقدار غلظت بهینه در ساختار شبکه اکسیدروي و جانشانی بهتر در ماده میزبان باشد.
ب - نتایج اپتیکی
شکل 3 طیفهاي جذبی فیلمهاي نازك ZnO خالص و آلائیده با هافنیوم را نشان میدهد. همانطور که در این شکل دیده میشود همه نمونهها داراي قله جذبی خوبی در حوالی 330 نانومتر هستند که با افزایش غلظت شدت قلهها افزایش مییابد. علت این تغییر رفتار را می توان به اثر موس- براستین و بزرگ شدن گاف انرژي نسبت داد17]و.[16 شکل 4 طیفهاي عبوري فیلمهاي نازك ZnO خالص و آلائیده با هافنیوم را نشان میدهد. همانطور که در شکل دیده میشود نمونهها در ناحیه 400 تا 800 نانومتر شفافیت بالاي %75 دارند که نشان دهنده کیفیت خوب ساختاري و یکنواختی آنها میباشد. دیده میشود که با افزایش غلظت ناخالصی Hf، عبوردهی نوري اندکی کاهش یافته است.
با استفاده از رابطه هاي α=1/tLnT, αh = E d - h - Eg - 1/2 - که در آن Ed مقدار ثابت، Eg گاف انرژي، h انرژي فوتون فرودي، α ضریب جذب، t ضخامت فیلم و T مقدار عبور است - و رسم نمودار - α h - 2 بر حسب انرژي فوتون - - h و برونیابی خطی، گاف انرژي نمونههاي خالص اکسیدروي و آلائیده با Hf به دست آمد.[18] ضخامت فیلمها حدود 200 نانومتر و از مقدار بازتاب طبق رابطه ذکرشده براي فیلمهاي نازك صرف نظر شد. مقادیر گاف نواري در شکل 5 و جدول 1 نشان داده شده است. همانطور که دیده میشود گاف نواري نمونههاي آلائیده با هافنیوم در مقایسه با نمونه خالص اندکی تغییر نموده و افزایش یافته است. هر چه گاف انرژي بزرگتر باشد پرتو هاي نور مرئی که از جسم ساطع میشود به سمت رنگ آبی تمایل مییابند و انرژي آنها بیشتر می- شود.
