بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق لایههای نازک نیمرسانای شفاف سولفید قلع آلاییده با ناخالصی مس بر روی زیر لایههای شیشهای با غلظتهای متفاوت مس به روش اسپری پایرولیزیز تهیه شدهاند. سپس اثر غلظت مس بر روی خواص ساختاری، اپتیکی و الکتریکی لایههای نازک مورد مطالعه قرار گرفته است. لایههای تهیه شده توسط پراش پرتو ایکس - XRD - ، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و جذب نوری - UV-vis - مشخصه یابی شده اند. بررسی ویژگیهای ساختاری نمونهها به کمک طیف XRD نشان میدهد که نمونهها دارای ساختار بسبلور با یک قله ارجح مربوط به صفحه - 001 - فازSnS2 بوده و اندازه نانو بلورکها با افزایش غلظت مس به طور کلی یک روند کاهشی دارد. علاوه بر آن افزایش غلظت مس از %1 به %4 به طور کلی سبب میشود عبور در گستره نور مرئی از %34 به%21 کاهش یابد. گاف نوری لایه ها در گستره 2/66 تا 2/93 eV می باشد. افزایش ناخالصی موجب رفتار کاهشی- افزایشی مقاومت میشود. لایه های نازک رسانش نوع n را نشان دادند.
مقدمه
سولفید قلع جزء کلکوجنایدهای فلزی است که ترکیب گروههایIV-VI در جدول تناوبی عناصر میباشند که به دلیل پهنای باندباریک و ویژگی های مناسب نوری و الکترونیکی مورد توجه قرارگرفتهاند. سه نوع ساختار بلوری شامل اورتومبیک، بلند روی و نمک طعام اعوجاج یافته برای سولفید قلع وجود دارد. اما ساختاراکثر لایههای نازک سولفید قلع اورتومبیک میباشند. پهنای باند نوری مستقیم آن در محدود 1/5- 1/2 eV بوده و پهنای باند غیرمستقیم بین1/2- 1 eV می باشد هدایت سولفید قلع بالا بوده و ازنوعP می باشد در دمای بالاتر از 265 درجه سانتیگراد SnS به آرامی به SnS2 و قلع تجزیه میشود. SnS2 دارای پهنای باند2/07 eVبوده و هدایت آن از نوع n است 1]و.[2 سولفید قلع ترکیبی نیمرسانااست که برای کاربرد در سلولهای خورشیدی و قطعات الکترونیکی نوری مناسب است. لایه های نازک سولفید قلع با داشتن قابلیت کنترل خواص نوری، امکان لایه نشانی با بازده قابل قبول، ضریب جذب نوری مناسب، ارزانی، فراوانی و غیرسمی بودن برای استفاده در سلولهای خورشیدی و ابزارهای الکترونیکی مناسب می باشند1]و.[2
بخش تجربی:
در این تحقیق، لایههای نازک سولفید قلع بر روی بسترهایشیشهای به روش اسپری پایرولیزیز لایه نشانی شدند. در ابتدامقادیر مشخصی از کلرید قلع پنج آبه - SnCl4:5H2O - و تیوره - H2N CS NH2 - در 50 cc آب دیونیزه حل گردید، بطوریکه محلول 0/4 مولار کلرید قلع و0/2 مولار تیوره تهیه شد. سپس برای تهیه لایههای سولفید قلع با درصد متفاوت ناخالصی مس، مقادیر مختلفی از کلرید مس متناسب با نسبت مولی [ ] یک تا چهار درصد به محلول اضافه شد. به این ترتیب لایههای سولفید قلع با ناخالصی مس با شرایط یکسان لایهنشانی - جدول - 1 تهیه شدند. جهت تعیین ساختار بلوری از دستگاه پراش پرتو X مدل D8-ADVANCE-BRUKER استفاده شد. برای مطالعه مورفولوژی سطح میکروسکوپ الکترونی ساخت شرکت KYKYمدل EM-3200 بکارگرفته شد. به منظور بررسی خواص اپتیکی از دستگاه اسپکترومتر فرابنفش- مرئیDouble beam spectrophotometer - Unico 4802 - استفاده شد.
بحث و نتیجهگیری:
پراش پرتو ایکس:
بررسی الگوهای پراش پرتو ایکس نمونهها - شکل - 1 نشان میدهدکه آنها دارای ساختار بس بلور میباشند. قله ارجح مربوط به صفحه - 001 - مربوط به فاز SnS2 می باشد و سایرفازهای سولفید قلع و فاز ترکیبی سولفید قلع و مس در نتایج پراش پرتو ایکس مشاهده نمیشود. از طرفی نمودار پراش نشان میدهد که قله ارجح برای ناخالصی مس %1 بیشترین مقدار خود را دارد و با افزایش بیشترناخالصی شدت قله کاهش می یابد. کاهش شدت قله بدلیل این است که شعاع یونی مس و قلع یکسان نمیباشند. از آنجا که مس جایگزین قلع میشود، با افزایش غلظت مس نفوذ بیشتر آن درساختار موجب میشود که خواص بس بلوری کاهش یابد. با بکارگیری رابطه شرر :[3]میتوان اندازه ابعاد دانههای بلوری را در نمونهها برای صفحهی - 001 - بدست آورد. نتایج بدست آمده در جدول - 2 - ارائه شده است.چنانچه ملاحظه میشود با افزایش نا خالصی مس اندازه بلورکها بطور کلی روند کاهشی- افزایشی دارد. فاصله بین صفحات بلوری - dhkl - را میتوان به کمک رابطه براگ :[4]بدست آورد. نتایج محاسبه فاصله صفحات بلوری در جدول - 2 - ارائه شده است. این نتایج نشان میدهد که نفوذ مس باعث شده که فاصله صفحات زیاد شود.
تصاویر :SEM
تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونهها در شکل - 2 - نشان داده شدهاست. این تصاویر نشان میدهند که لایهها دارای مورفولوژی دانهای، بدون ترک و با تخلل ناچیز میباشند. متوسط اندازه دانههای تصاویر SEM برای نمونههای خالص و باناخالصی%1، %2، %3 و %4 به ترتیب 123، 53 ، 59 ، 70 و 59 نانومتر می-باشند. بدلیل اینکه یک ذره در تصویر SEM شامل تعدادی نانو بلورکها میباشد اندازه ذرات در تصویر SEM بزرگتر از اندازه بلورکهای محاسبه شده از رابطه شرر میباشد .[3]افزایش مییابد و باعث کاهش عبور میشود. تخلل نمونهها نیز می-تواند در کاهش عبور موثر باشد.ضریب جذب لایهها - - از رابطه زیر محاسبه گردید:
مشخصهیابی اپتیکی:
متوسط عبور لایهها در گستره نور مرئی - جدول - 3 نشان میدهدنمونههای با ناخالص کمتر دارای بیشترین عبور میباشند و با افزایش ناخالصی عبور کاهش مییابد. کاهش عبور بدلیل جذب مستقیم
فوتون و افزایش پراکندگی فوتون به علت افزایش نقص بلوری است. علاوه بر این با افزایش غلظت مس چگالی حاملهای آزاد افزایش مییابد و باعث کاهش عبور میشود. تخلل نمونهها نیز می-تواند در کاهش عبور موثر باشد.ضریب جذب لایهها - - از رابطه زیر محاسبه گردید:
که در آن A جذب است که توسط دستگاه اسپکتروسکوپی اندازه-گیری میشود و t ضخامت لایه بر حسب نانو متراست.ضخامت لایههای نازک با استفاده از دستگاه اندازهگیری سطحی سورترونیک مدل stylus-Taylor Hobson اندازه گیری شده است و نتایج آن در جدول - 3 - آورده شده است. تعیین گاف انرژی - مستقیم - بر اساس رابطه تاوک :[3]با رسم نمودار - ℎ - 2 بر حسب - - ℎ و محاسبه شیب نمودارمقدار گاف نوری بدست آمده است - شکل 3 و جدول. - 3 با افزایش ناخالصی مس، شاهد رفتار کاهشی- افزایشی گاف می باشیم.
مشخصهیابی الکتریکی:
مشخصهیابیهای الکتریکی صورت گرفته در این پژوهش شامل اندازهگیری مقاومت لایهها به روش دو الکترودی است. علاوه بر آن تعیین مقدار تراکم و نوع حاملها با استفاده از سامانه اندازه گیری اثر هال است. نتایج مشخصه یابی الکتریکی نمونهها در جدول - 3 - نشان میدهد با افزایش ناخالصی مقاومت ویژه روند افزایشی-کاهشی دارد.برای بدست آوردن نوع حاملها، تراکم و تحرک حاملها از اندازه گیری اثر هال به روش وندرپاو استفاده شد. در این روش، نمونه دریک میدان مغناطیسی ثابت که عمود برسطح زیرلایه است قرار داده میشود. در حضور این میدان مغناطیسی، با اعمال جریان به دو سر نمونه در راستای قطر نمونه، از دو سر پایانههای قطری دیگر مقدار و علامت ولتاژ هال بدست میآید. با معلوم بودن شدت میدان
