بخشی از مقاله
چکیده - نانو سیمهای سیلیسیمی به روش سونش شیمیایی تک مرحلهای در زمانهای متفاوت 80 min - و 60، - 30 تهیه شدهاند. با توجه به تصاویر FESEM آرایههایی از نانو سیمها بهصورت منظم، متراکم و عمود بر سطح تشکیل شده است. اگرچه با افزایش زمان سونش از 30 به 60 دقیقه طول نانوسیمها افزایش و قطر آنها کاهش یافته اما با ادامه فرایند تا 80 دقیقه از طول نانو سیمها کاسته شده اند. با استفاده از طیف بازتاب و رابطهی Kubelka–Munk گاف نواری اپتیکی نمونهها محاسبه شدند. دریافتیم با افزایش زمان سونش گاف نواری از 1/36 eV به eV 1/58 تحت تاثیر وقوع محدودیت کوانتومی افزایش یافتهاند. این تغییرات می تواند در آشکارسازهای نوری مفید باشد.
-1 مقدمه
در سال های اخیر نانوسیم های نیمرسانا - NWs - توجه زیادی را به واسطه ی خواص فیزیکی شان برای کاربرد در الکترونیک و فوتونیک، به خود جلب کرده اند .[1] امروزه در کاربردهای فوتونیکی، سیلیسم - Si - نقش بسیار مهمی در آشکارسازی نور و فوتوولتایی دارد. بنابراین، ورود نانوسیم های سیلیسیمی - SiNWs - در آشکارسازهای نوری بر اساس سیلیسیم یا سلول های خورشیدی به واسطه ی افزایش برهمکنش نور - ماده و هندسه ی سطح آن مورد توجه و علاقه بسیاری قرار گرفته است .[2]
رویکردهای زیادی برای ساخت SiNWs وجود دارد که اغلب آن ها نیازمند تجهیزات گران قیمت و عملکرد پیچیده است. در مقابل، روش سونش شیمیایی به کمک فلز - MACE - ، یک روش شیمیایی مرطوب ارزان قیمت و ساده برای تولید SiNWs در مقیاس ویفرهای تجاری است .[3] سیلیسیم متخلخل تولید شده با این روش دارای خواص اپتیکی تکرار پذیر و قابل قبول است .[4] به طور کلی، واکنش های شیمیایی به کمک فلز به دو نوع تقسیم می شوند، واکنش تک مرحله ای در محلول سونش شامل HF و نمک های فلزات، که 1-MACE نامیده می شود، و واکنش دو مرحله ای که شامل لایه نشانی اولیه ی نانوذرات فلز و در ادامه سونش شیمیایی در حضور HF و H2O2 است، که 2-MACE نامیده می شود 5]، .[6 ما در این تحقیق برای ساخت نانوسیم های سیلیسیمی از روش 1-MACE استفاده کرده و تاثیر زمان سونش را بر خواص فیزیکی نمونه های سنتز شده مورد بررسی قرار دادهایم.
-2 روش ساخت نمونه
در این تحقیق از ویفر سیلیسیم نوع p باجهت گیری - 100 - و مقاومت ویژه cm؛10 1 برای ساخت نمونه ها استفاده شده است. ابتدا ویفر به قطعات 1cm ×1cm برش داده شده و سپس در استون - به مدت 10 دقیقه - و اتانول - به مدت 5 دقیقه - به روش فراصوتی تمیز شده وچندین بار با آب مقطر شسته شدند. سپس نمونه ها به مدت 3 دقیقه در محلول هیدروفلوریک اسید رقیق غوطه ور شده تا اکسیدهای ذاتی از سطح آن برداشته شوند. سونش با قرار دادن نمونه ها در ظرفی پلاستیکی حاوی محلول 0/1 mol/L H2O2 و 0/02 mol/L AgNO3 و4/6 mol/L HF، در زمانهای 30، 60 و 80 دقیقه - به ترتیب نمونه های S1، S2 و - S3 در دمای اتاق انجام شد. پس از سونش نمونه ها را در اسید نیتریک رقیق قرار داده تا نقرهی باقی مانده بر روی سطح آن زدوده شود.
پس از هر مرحلهی اسیدی نمونه ها با آب مقطر شسته شده اند. ساختار نمونه ها با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - - FESEM Hitachi S.4160 مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین اندازه گیری های رامان - Aventes - manufactured با طول موج تحریک 780 nm انجام شده، و طیف بازتاب نمونهها - Shimadzu UV-Vis. 1800 - در گستره 400 -1100 nm مورد بررسی قرار گرفته اند. شرایط ساخت نمونه های تهیه شده در جدول 1 آمده است.
-3 نتایج و تحلیل داده ها
شکل های 1 و 2 تصاویر FESEM نمونه ها را بهترتیب از بالا با زاویه 45 درجه و عرضی نشان می دهند. همانطور که مشاهده می شود، در نمونه های با زمان سونش 30 و 60 دقیقه، آرایه ی منظمی از نانو سیم های سیلیسیمی به طور یکنواخت سطح ویفر را پوشانیده و اغلب آن ها دارای نوک باریک و تیز هستند. با توجه به این تصاویر و شکل 3، نانو سیم های تهیه شده در زمان 30 دقیقه به طور میانگین دارای طول حدود 9 ʽm و قطر nm 100؛150 بوده و نانوسیم های با زمان سونش 60 دقیقه به طور میانگین دارای طول حدود 14 ʽm و قطر حدود 100 nm می باشند.
در نمونه با زمان سونش 80 دقیقه طول نانو سیم ها به حدود 10 ʽm رسیده به طوری که نیمه فوقانی نانو سیم ها نازکتر و به هم فشرده تر لکن قطر آنها در این ناحیه به کمتر از 100 nm رسیده است. این نتایج حاکی از آن است که با افزایش زمان سونش تا زمان 60 دقیقه طول نانو سیم ها افزایش و قطر آن ها کاهش یافته است، اما در زمان سونش 80 دقیقه اگرچه قدری از طول نانو سیم ها کاسته شده لکن کاهش قطر به ویژه در نیمه فوقانی ادامه یافته است.
شکل :4 طیف رامان سیلیسیم کپه ای و SiNWs تهیه شده در زمان های سونش مختلف.
به منظور مطالعه خواص اپتیکی نمونه ها از طیف بازتاب نوری استفاده شده است - شکل . - 5 از مقایسه ی طیف بازتاب سیلیسیم کپه ای و نمونه های SiNWs در می یابیم که بازتاب برای ویفر سیلیسیم در ناحیه مرئی در حدود %40 بوده در حالی که این مقدار در نمونه ی S1 به حدود %0/1 و در نمونه های S2 و S3 به حدود %0/2 رسیده است. این ویژگی میتواند ناشی از برهمکنش های فوتون ها در محیط نانو سیم های متراکم و به هم فشرده، که در آن پراکندگی نور در مقیاس زیر طول موج می تواند به طور موثر فوتون ها را به دام بیندازد، باشد .[9] چنین بازتاب اندکی در محدودهی طول موج نور مرئی، که با لایه نشانی لایه های ضد بازتابی قابل حصول نمیباشد، میتواند در کاربرد سلول-های خورشیدی بر پایهی Si مناسب باشد .[8]
