بخشی از مقاله
چکیده
لایه هاي نازك نانو کریستال سولفید روي - ZnS - به روش جدید لایه نشانی حمام شیمیایی - CBD - روي زیرلایه هاي شیشه اي و کوارتزي تهیه شدند. در این روش ازنمک دي سدیک اتیلن دي آمین تترا استیک اسید - EDTA - به عنوان عامل کمپلکس کننده و از تیو استامید - TAA - به عنوان منبع یونهاي سولفید استفاده شد. ضخامت لایه ها از چند نانومتر تا 500 نانومتر متغیر بود. ترکیب درصد شیمیایی لایه ها به روش هاي - EDX - و طیف سنجی زیر قرمز تبدیل فوریه - FTIR - مورد مطالعه قرار گرفت. لایه ها داراي استوکیومتري بسیار نزدیک به ZnS بوده است و ما هیچ گونه ترکیبات آلی به شکل ناخالصی در لایه ها مشاهده نکردیم. پراش اشعه ي - XRD - X لایه و رسوب جمع آوري شده از همان حمام واکنش نشان می دهد که هر دو داراي ساختار مکعبی بلاند روي هستند. لایه ها بیش از 75% نور را در ناحیه ي مرئی از خود عبور می دهند. ثابت هاي اپتیکی لایه ها از جمله ضریب جذب و گاف نواري با استفاده از اندازه گیریهاي اسپکتروفتومتري جذبی تعیین شدند.
مقدمه
در سالهاي اخیر ، لایه هاي نازك پلی و نانوکریستال ZnS به دلیل نقش عمده آنها در فناوري هاي مربوط به پیل هاي فتوولتائی و قطعات اپتوالکترونیک بهشدت مورد توجه واقع شده اند. این لایه ها به تازگی به عنوان لایه بافر در چندین نوع از پیل هايخورشیدي نظیر و - CIGSS - Cu - InGa - - SeS - 2 به کار رفته اند .[1-3] همچنین سولفید روي به عنوان یک ترکیب نیمه هادي مهم در موج برهاي
مسطح ، قطعات نشرکننده ي نور آبی و یا به عنوان ماده ي اصلی براي سیستم هاي فسفرسانس روشهايکنندهبه کار می رود .[4]زیادي نظیر لایه نشانی حمام شیمیایی - CBD - ، لایه نشانی بخار شیمیایی - CVD - ، لایه نشانی فتوشیمیایی - - PCD ، جذب پی درپی لایه ي یونی و واکنش - SILAR - ، افشان پیرولیز و غیره ...براي ساخت لایه هاي نازك ZnS به کارمیانرفته اند .[5-10] دراین روشها ، CBD مناسب ترین روش در ساخت لایه هاي نازكZnS براي کاربرد در پیل هاي فتوولتائی است و این به دلیلارزانی و سادگی روش و امکان ساخت لایه هایی در مقیاس وسیع
می باشد.
همچنین ساخت لایه هاي نازك به روش CBD تحت شرایط فشار اتمسفري و دماهاي نسبتاً پائین - <100 º C - انجاممی گیرد که این موضوع به دلایل اقتصادي و زیست محیطی در مقایسه با روش هاي مرسوم فاز بخار که نیازمند به انرژي بیشتري هستند ، سودمندتر است. انباشت شیمیایی لایه هاي نازك ZnS توسط تعدادي ازمحققین در حمام هاي بازي آبکی انجام گرفته است 13]در-.[11اغلب این کارهاي تحقیقاتی از محلول آمونیاکی و یک عامل کمپلکس کننده ي مکمل استفاده شده است. چنانچه فرآیند CBDدر حمام آمونیاکی انجام گیرد ، در آن صورت تشکیل گونه هاي هیدرولیز شده در محلول و تشکیل پیوندهاي Zn–O در ساختارلایه ي ZnS اجتناب ناپذیر است .[14] یک راه حل جایگزین عباتست از لایه نشانی در یک محیط اسیدي ضعیف.در این مقاله ، تهیه ي لایه هاي نازك ZnS در یک محلول اسیدي ضعیف به عنوان یک روش جدید لایه نشانی حمام شیمیایی گزارش شده است. لایه هاي ساخته شده به این روش به لحاظ ترکیب درصد شیمیایی ، ساختار ، مورفولوژي سطح و خواص نوري توصیف شده اند.
روشهاي آزمایشی
اسلاید شیشه ايعمدتاً به عنوان زیرلایه مورد استفاده قرار گرفت. همچنین از زیرلایه هاي کوارتژي در بعضی از آزمایشهااستفاده شد. زیرلایه ها به طور متوالی در محلول سولفوکرمیکاسید ، آب خالص یون زدایی شده ، ایزوپروپیل الکل و آب خالص دو بار تقطیر تمیز گردیده و سپس درون آون با دماي 90 ºCخشک گردیدند.مواد شیمیایی مورد نیاز ، استات روي ،
Zn - CH3COO - 2.2H2O ، - Zn - OAc - 2 - ، نمک دي سدیک اتیلن دي آمین تترا استیک اسید - EDTA - و تیواستامید - TAA - با درجه خلوص بالا همگی ساخت شرکت مرك بوده اند. محلولهاي ماده چگال: نانو ساختارها - Zn - OAc - 2 - ، - TAA - و - Na2EDTA - به طور جداگانه قبل ازهر آزمایش تهیه می شدند. 15استاتمیلی لیتر محلول 0/4 مولارروي با 15 میلی لیتر محلول 0/2 مولار Na2EDTA در یک بشر شیشه اي مخلوط شده و سپس 30 میلی لیترمولارمحلول 0/4TAA به بشر اضافه شده و با اضافه کردن آب مقطر و محلولهیدروکسید سدیم به حجم 100 میلی لیتر و pH=5.0 رسانده شده است.
مقدار 50 میلی لیتر از محلول بالا درون یک ظرفشیشه اي ریخته شده و به عنوان حمام واکنش براي لایه نشانی مورد استفاده قرار گرفت. آن گاه زیرلایه هاي شیشه اي mm - - 76*16 به طور عمودي در این حمام قرار گرفته و این مجموعه در داخل حمامی با دماي ثابت 70 ± 1 °C قرار داده شده. لایهنشانی براي دوره ي زمانی کنترل شده ي 4 ساعت انجام گرفت.حمام واکنش در طی لایه نشانی بهم زده نشد. لایه هاي انباشته شده سپس با آب مقطر شستشو داده شده و در دماي آزمایشگاه خشک شده است. همچنین رسوب ته نشین شده در حمام واکنش جمع آوري گردیده و با آب شسته شد و در دماي آزمایشگاه خشک گردید.
طیف پراش اشعه ي X به وسیله یک دستگاه پراش سنج اشعةX مدل Philips PW 1800 با منبع تابش CuKα براي مقادیر 2θبین 20-80° ثبت شد. مورفولوژي سطح لایه ها و ترکیب درصدشیمیایی آن ها با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مدل Cam Scan MV 2300 ، متصل به آنالیزر - EDX - مدل Oxford 7538 صورت گرفت. طیف جذبی و عبوري لایه ها با استفاده از اسپکتروفتومتر مدل PV 8700وPhilips مطالعهضخامت لایه ها با استفاده از مدلضخامت سنج سوزنیDektok3 اندازه گیري شد.
نتایج و بحث
آنالیز ترکیب درصد
ترکیب درصد شیمیایی لایه هاي نازك ZnS به وسیلة آنالیزر - EDX - حاصل شد - شکل. - 1 به منظور کاهش سیگنال هاي حاصل از زیرلایه ، لایه هایی نسبتاً ضخیم با ضخامت حدود 400 نانو
متر با تکرار فرآیند لایه نشانی به دست آورده شد. طیف - EDX - وجود روي و گوگرد با مقدار کمی گوگرد اضافی براي همه يلایه ها نشان می دهد - نوعاً . - .Zn=48% & S=52% به علاوه ، سهپیک مربوط به اکسیژن ، سیلیسیم و کلسیم نیز در طیف مشاهدهمی شود که مقدار درصد آنها بسیار کم می باشد و لذا بر درصد روي و گوگرد بی تاثیر است و منشأ آن ها از زیرلایه ي شیشه ايبوده.
به منظور بررسی ترکیبات آلی به شکل ناخالصی درون لایه هاي نازك سولفید روي ، طیف زیر قرمز تبدیل فوریه - FTIRR - از لایههایی با ضخامت 80 نانومتر روي زیرلایه ي کوارتزي گرفته شد.
اغلب مقالات گذشته وجود باند هاي NCS - −N=C=S - ، Zn–Oو Zn–OH در لایه هاي تولید شده به روش CBD را گزارش کرده اند [5-6] ولی بر خلاف آن ها ، ما هیچ پیکی مربوط به این ناخالصی ها در طیف لایه ي نازك ZnS مشاهده نکردیم.مطالعه ساختار سولفید روي در دو شکل مکعبی - بلاند روي - و هگزاگونال - وورتزیت - وجود دارد. شکل مکعبی در دماي اتاق پایدار می باشد در حالی که شکل هگزاگونال در دماهاي بالا پایدار است .[15]بررسی پراش اشعه ي X لایه هاي نازك ZnS با ضخامت خیلیکم - کمتر از 400 نانومتر - هیچ گونه پیک قابل تشخیصی را نشان نمی دهد. به دست آمدن یک الگوي پراش فقط هنگامی ممکناست که ضخامت لایه حداقل 400 نانومتر باشد.[16]
شکل 2الگوي پراش لایه ZnS انباشته شده روي زیرلایه ي شیشه اي و همچنین رسوب جمع آوري شده در همان ظرف واکنش را نشانمی دهد. ضخامت لایه 480 نانومتر بوده است. سه پیک پهن درنمودار پراش در حدود 27/14 º ، 48/08 º و 57/ 32º نشاندهنده ي ساختار مکعبی براي لایه ي ZnS می باشد. پیک ها بهصفحات - 111 - ، 220 - و - - 311 - مربوط به فاز مکعبی نسبتداده می شوند.[17] علاوه براین هیچ گونه پیکی مربوط بهترکیبات ZnO و Zn - OH - 2 در الگوي پراش مشاهده نگردید.قطر متوسط - - D دانه هاي ZnSي با استفاده از معادله شیررمحاسبه شد و متوسط اندازه ي دانه هاينانومترسولفید روي 4/5به دست آمد.
مورفولوژي سطح
تصویر - SEM - لایه نازك ZnS نشان می دهد که لایه از دانه هاي یکنواخت کوچک و عاري از حفره تشکیل شدهاست - شکل. - 3 همچنین میکروگراف لایه ي نازك ZnS نشان می دهد که دانه هاي تشکیل دهنده ي لایه داراي ساختار نیم کره اي هستند که به سطح زیرلایه چسبیده اند و به نظر می رسد که لایه از دانه هایی با قطر 40 نانومتر تشکیل شده است.همچنین جالب توجه است که هیچ ذره اي بزرگتر از 100 نانومتر روي سطح لایه مشاهده نمی شود.
خواص نوري
خواص نوري لایه ي انباشته شده روي زیرلایه ي کوارتز با استفاده از اندازه گیري هاي جذبی و عبوري در ناحیه ي 250 - 850نانومتر تعیین شدند. شکل 4 طیف عبوري UV-Vis یکی ازلایهنازك هاي سولفید روي به ضخامت 190 نانومتر را نشان می دهد.از طیفکه UV-Vis پیدا است لایه ي سولفیددارايروي یک گاف نواري مستقیم می باشد و در ناحیه ي مرئی بیش از 75%
