بخشی از مقاله
چکیده - لایههای نازک نیمرسانای اکسیدی شفاف CuCrO2:Mg با استفاده از روش سل-ژل به همراه لایهنشانی چرخشی روی زیرلایه شیشه تهیه شدند. اثر دمای عملیات پیش حرارتی، روی خواص الکتریکی و اپتیکی این نیمرسانای نوع p مورد بررسی قرار گرفت و سپس نمونهها تحت عملیات حرارتی در خلأ با فشار 10-2 میلی بار قرار گرفتند. میزان تراگسیل نمونهها در ناحیه نور مرئی حدود 80 درصد، گاف انرژی در حدود 3 الکترونولت و مقاومت الکتریکی لایهها از مرتبه 0/5 M Ω است.
-1 مقدمه
نیمرساناهای اکسیدی شفاف مدتهای زیادی است که به عنوان ادوات اپتوالکترونیک در صنایع الکترونیک، مخابرات، صنایع پزشکی و ... مورد استفاده قرار میگیرند. اولین نیمرسانای اکسیدی شفاف در سال - CdO - 1907 گزارش شد [1] و از آن زمان تحقیقات وسیعی برای شناسایی انواع مختلفی از نیمرساناهای اکسیدی شفاف آغاز شد. تا مدتها تمامی ترکیبات شناسایی شده از نوع n بودند و عدم وجود نیمرسانای اکسیدی شفاف نوع p محدودیتهایی برای استفاده از آنها ایجاد میکرد؛ چرا که در اغلب قطعات اپتوالکترونیکی نظیر ترانزیستورها، دیودهای نورگسیل، سلولهای خورشیدی و غیره نیاز به هر دو نوع نیمرسانای اکسیدی شفاف است.
با شناسایی اولین نیمرسانای اکسیدی شفاف نوع p در سال 1997 - CuAlO2 - ، تلاشها برای شناسایی و مشخصهیابی نیمرساناهای اکسیدی شفاف نوع p جدید شدت بیشتری گرفت .[2] نیمرسانای شفاف CuCrO2 با ناخالصی منیزیم، شفافیتی بیش از 70 درصد و رسانندگی در حدود 1 Scm-1 دارد 2]و.[3 در اغلب موارد لایههای نازک CuCrO2 با ناخالصی منیزیم با روشهایی نظیر لایه نشانی به روش کندوپاش و یا به روش لایهنشانی لیزری ساخته میشوند. در این مقاله، از روش شیمیایی سل- ژل به همراه لایهنشانی چرخشی برای ساخت لایههای CuCrO2 استفاده شده است. از مزایای این روش میتوان به ارزان بودن، سهولت و سریع بودن فرآیند لایهنشانی اشاره کرد .[3]
-2 روش انجام آزمایش
پس از ترکیب مواد مس استات یک آبه [Cu - CH3COO - 2.H2O]، کرومیوم نیترات 9 آبه [Cr - NO3 - 3.9H2O] و منیزیم نیترات چهار آبه [Mg - NO3 - 2.4H2O] با نسبت مولی مناسب در اتیلن گلیکول [CH3OCH2CH2OH]، محلول بدست آمده در همزن مغناطیسی به مدت بیش از 5 ساعت همزده میشود. محلول شفاف و همگن بدست آمده پس از 24 ساعت نگهداری در دمای اتاق، با تکنیک لایهنشانی چرخشی روی زیرلایه شیشه، لایهنشانی میگردد.
فرآیند لایهنشانی، با آهنگ 5000 دور بر دقیقه به مدت 30 ثانیه انجام میشود. بعد از لایهنشانی، به منظور خارج نمودن ترکیبات آلی از لایههای نازک تهیه شده، نمونهها به مدت 20 دقیقه داخل کوره در دماهای 300، 400 و 500 درجه سانتیگراد خشک میشوند. مراحل فوق 4 بار تکرار شد. پس از اتمام فرآیند لایهنشانی، عملیات حرارتی به مدت 1 ساعت در داخل کوره خلأ تحت فشار 10-2 میلی بار در دمای 550 درجه سانتیگراد، روی لایههای CuCrO2:Mg انجام میشود. طیف سنجی نمونهها با دستگاه طیف سنج UV-2501 ساخت شرکت شیمادزو و اندازهگیری مقاومت ویژه با استفاده از دستگاه اندازهگیری چهار قطبی مورد بررسی قرار گرفته است.
-3 نتایج و بحث
در ساختار CuCrO2 اتمهای کروم سه ظرفیتی هستند، هنگامی که ناخالصی منیزیم را وارد میشود، اتمهای منیزیم دوظرفیتی، جایگزین اتمهای کروم میشوند که تأثیری مستقیم و مؤثر در افزایش رسانندگی الکتریکی نوع p دارد، چرا که موجب تغییر ظرفیت مس از +1 به +2 میشود. به عبارتی دیگر، وقتی اتمهای منیزیم وارد ساختار CuCrO2 میشوند، با توجه به اینکه ترکیب از نظر بار الکتریکی خنثی است، الکترونی از لایه درونی مس با برقراری پیوند با اکسیژن، به این تعادل بارها کمک کرده و در نتیجه یک حفره ایجاد میکند.
مقاومت الکتریکی لایهها با 5 درصد منیزیم، که به ترتیب در دماهای 300، 400 و 500 درجه سانتیگراد خشک-شده و به مدت یک ساعت تحت عملیات حرارتی در خلأ در دمای 550 درجه سانتیگراد، قرار گرفتهاند در این اندازهگیری از مرتبه 0/5 مگا اهم بدست آمد. اندازهگیری اثر هال نشان میدهد که لایههای ساخته شده، رفتاری شبیه نیمرسانای نوع p از خود نشان میدهند. طیف تراگسیل لایههای نازک CuCrO2 با ناخالصی منیزیم، در ناحیه نور مرئی و فرابنفش بررسی شد که نتایج در شکل - - 1 نشان داده شده است.
همانطوری که مشاهده میشود میزان تراگسیل در محدوده 330 تا 380 نانومتر، در لایههایی که در دمای 300 درجه سانتیگراد خشک شدهاند، کم است که به دلیل بلوری نشدن لایه است. علاوه بر این مشاهده می شود که طیف تراگسیلی برای همه نمونههاتقریباً، یکنواخت بوده و اثرات تداخلی مشاهده نمیشود که بیانگر این است که نمونهها دارای ضخامت کمی هستند. با استفاده از روش طیف سنجی ضخامت لایهها در حدود 40 نانومتر محاسبه شد.
کاهش میزان تراگسیل در محدوده نور مرئی در لایههایی که در دماهای بالاتر خشک شدهاند، میتواند به دلیل افزایش پراکندگی فوتونها بوسیله منافذ ریز در لایه باشد. با افزایش دمای عملیات پیشحرارتی، منافذ بسیار ریزی در لایهها ایجاد میشود. اگر لایه نازک مورد نظر دارای ضخامت d، ضریب جذب و میزان انعکاس R باشد، در این صورت شدت پرتو رسیده به اولین و دومین سطح در داخل لایه به ترتیب برابر با - 1 -R - Io و - 1- R - Io e- G خواهد بود و شدت پرتو خروجی از لایه نازک برابر با - 1-R - - 1-R - Io e- G میشود. بنابراین تراگسیل بصورت T = - 1 -R - 2 e - G بدست میآید. از طرفی دیگر، G برابر با میزان جذب - A - است و میتوان رابطه فوق را بصورت T = - 1-R - 2 e -A نوشت.
در استخراج این رابطه دو فرض اساسی در نظر گرفته شده است، اول اینکه به علت نازک بودن لایهها، همانطور که در شکل - 1 - دیده می شود، تداخل بطور جدی وارد بحث نمیشود. دوم این که ضریب جذب این ماده کوچک است و لذا جملات بالاتر در انعکاس از مرز لایهها قابل چشمپوشی هستند .[4] نتایج محاسبه ضریب شکست در شکل - 2 - آمده است. ضریب شکست برای نمونههایی که در دماهای 300 و 400 درجه سانتیگراد خشک شدهاند در ناحیه نور مرئی مقادیر یکسانی دارد ولی برای نمونهای که در دمای 500 درجه سانتیگراد خشکشده است مقادیر بیشتری دارد.
