بخشی از مقاله
چکیده
لایه های نازک سولفیدکادمیم خالص و آلاییده با مس، با استفاده از یک روش تعدیل شده تبخیر حرارتی جهت بررسی تاثیر آلایش مس بر خواص نوری آنها مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی رشد ساختارهایی به شکل میله را نشان داده و الگوی پراش پرتو ایکس، فاز سولفیدکادمیم این ساختارها را تایید می کند. مشخصه یابی نوری وجود باند گسیلی در ناحیه مرئی از طیف امواج الکترومغناطیسی را نشان دادند که افزودن مس آن را بسمت طول موج های بزرگتر - جابجایی قرمز - جابجا می کند.
مقدمه
امروزه نیمرساناهای ترکیبی فلز- گوگرد دارای کاربردهای فراوانی می باشند که این موجب جذب تعداد زیادی از محققین جهت رشد و بررسی خواص آنها، شده است - Baghchesara, Yousefi, Cheraghizade, Jamali-Sheini, & Sa'aedi, 2016; Baghchesara, Yousefi, Cheraghizade, Jamali-Sheini, & Saáedi, 2016; Baghchesara, Yousefi, . - Cheraghizade, Jamali-Sheini, Saáedi, et al., 2016; Cheraghizade et al., 2014 سولفیدکادمیم - CdS - یکی از این نیمرساناهاست که دارای انرژی شکاف باند مستقیم2/40 eV در دمای اتاق و شعاع اکسایتونی بوهر 2/5 nm می باشد.
- Baghchesara, Yousefi, Cheraghizade, Jamali-Sheini, & Saáedi, 2016 - سولفیدکادمیم و بطور خاص نانوساختارهای آن امروزه بصورت گسترده ای بعنوان مواد فتوکاتالیست - Yang et al., 2012 - ، دیود های لیزری - Shen, - Cho, Yoo, Yi, & Lee, 2005، سلول های خورشیدی - Kartini et al., 2004 - ، حسگرهای گازی - Zhai, Fang, Li, Bando, & Golberg, 2010 - و ... مورد استفاده قرار می گیرند. اکثر این کاربردها کاربردها مربوط به ویژگی های نوری سولیفدکادمیم هستند. یکی از مواردی که تاثیر زیادی روی خواص نوری ساختارهای کادمیم دارد، آلایش آن با عناصر مناسب از جدول تناوبی می باشد.
آلایش به افزودن عمدی عنصر ناخالصی به درون شبکه کریستالی نیمرساناها اطلاق می شود که خواص فیزیکی و شیمیایی پایه نیمرسانا، از جمله خواص نوری آنها را بشدت تغییر می دهد - Yousefi & Kamaluddin, . - 2009 اما آلایش بهینه زمانی رخ می دهد که شعاع یونی عنصر آلاینده اختلاف زیادی با شعاع یونی عنصر میزبان نداشته باشد. بنابراین مس - Cu2+ - با شعاع یونی موثر 73 Å یک عنصر مناسب برای جانشینی کادمیم - Cd2+ - با شعاع یونی موثر 95 Å در ساختار کریستالی سولفیدکادمیم می باشد.
- Shannon, 1976 - از این رو و طبق آخرین بررسی ها و دانسته های ما، رشد و مطالعه تاثیر آلایش مس بروی خواص نوری لایه های نازک سولفیدکادمیم با روش تبخیر حرارتی تاکنون گزارش نشده است. بنابراین در این کار برای رشد و آلایش ساختارهای لایه نازک سولفیدکادمیم از یک روش تعدیل شده تبخیر حرارتی یعنی انتقال بخارات اشباع در یک کوره افقی، که روشی ارزان و بسیار ساده است و می تواند منجر به رشد و آلایش و رشد نانوساختارهایی با کیفیت بالا شود، استفاده شده است.
روش تحقیق
مواد مورد استفاده در این کار عبارتنداز: پودر سولفیدکادمیم - - CdS با خلوص % 99/99 محصول شرکت MP هلند، کلرید-مس - CuCl2 - با خلوص % 99/99 محصول شرکت Merck آلمان، ویفر سیلیکونی نوع n با جهت کریستالی - 100 - و محلول های شیمیایی مناسب برای شستشوی زیرلایه های سیلیکونی. جهت لایه نشانی ابتدا ویفر سیلیکونی در ابعاد مورد نیاز برش داده شده و برای اطمینان از هر گونه آلودگی، آنها با محلول های شیمیایی مناسب شستشو داده و سپس خشک شدند. پس از آن، مقدار 0/ 2 g گرم از پودر سولفیدکادمیم در مرکز کوره افقی قرار داده شد. زیرلایه ها نیز در فاصله مناسب از مرکز کوره و در محل ریزش بخارات سولفیدکادمیم قرار گرفتند.
دمای مرکز کوره افقی را به 800 œC رسانده و به مدت 90 دقیقه در این دما نگه داشته شد .در این مدت یک پمپ خلاء فشار درون کوره را در مقدار ثابت 10 Torr نگه داشت . همزمان در این مدت از سمت دیگر کوره گاز حامل و بی اثر آرگون با دبی 25 sccm به کوره تزریق می شد. برای آلایش با مس یکی از نمونه های رشد داده شده در مرحله اول که دارای دمای زیرلایه یکسانی با نمونه خالص می باشد را بمدت 20 دقیقه در محلولی که با استفاده از مقدار 50 ml آب مقطر و 0/ 0139 g کلریدمس آماده شده بود، غوطه ور می کنیم. سپس روی آن عملیات حرارتی تحت خلاء در دمای 300 œC بمدت 2 ساعت و در حضور گاز آرگون با دبی 25 sccm انجام داده و نمونه های بدست آمده، جهت ارزیابی کیفیت آنها مورد مشخصه یابی قرار گرفتند.
تصویربرداری با بزرگنمایی بالا توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی که اختصارا SEM خوانده می شود، جهت ارزیابی ریخت و اندازه سطح لایه های نشانده شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی مدل VEGA\\TESCAN صورت گرفت . جهت اطمینان از تشکیل فاز سولفیدکادمیم، آنالیز فازی نمونه ها با استفاده دستگاه الگوی پراش پرتو ایکس مدل - X-pert - Philips که دارای آندی مسی و طول موج تحریک 1/5406 Å بود، صورت گرفت. جهت بررسی خواص نوری لایه های نازک سولفیدکادمیم خالص و آلاییده با مس، از آنالیز طیف طیف نورتابناکی - Photoluminescence - با دستگاه Varian-Cary Eclipse و طول موج تحریک 300 nm در دمای اتاق، استفاده شد.
یافته ها
شکل 1 الف - و ب - تصاویر SEM با بزرگنمایی 10/000برابر را بترتیب برای نمونه های خالص و آلاییده با مس سولفیدکادمیم را نشان می دهد. در هر دو مورد تصاویر SEM رشد ساختارهایی شبیه میله را نشان می دهند. با این تفاوت که در نمونه خالص این میله ها در دو دسته بزرگ که در اقلیت و دسته کوچک تر که در اکثریت می باشند، رشد کرده اند . دسته اقلیت که شبیه نوار یا کمربند - Belt - نیز می باشند، دارای طول و قطر متوسطی بترتیب حدود چند میکرون و 1 ʽm هستند.
دسته اکثریت میله هایی هستند که در نوک آنها یک حجم کروی شکل، شبیه توپ نیز رشد کرده است. قطر این میله ها و حجم کروی شکلی که در نوک آنها رشد کرده است، بطور میانگین بترتیب حدود 161 nm و 293 nm می باشد. در پی آلایش با مس ریخت ساختارها یکدست تر شده است. قطر میله ها در نمونه آلاییده با مس بطور میانگین حدود 220 nm می باشد. در نتیجه می توان گفت که آلاینده مس ریخت میله ها را تغییر نداده است ولی اندازه ریخت غالب آنها را اقزایش داده است. همچنین این میله ها را می توان میکرو-نانومیله نیز نامید، زیرا دارای ابعادی در مقیاس میکرون و نانومتر هستند.
فرایند رشد نانوساختارها در روش تبخیر حرارتی بصورت بخار-مایع-جامد - VLS - می باشد. مشخصه های اصلی این روش رشد، در ابتدا از تشکیل هسته های فلزی - کادمیم - بر روی زیرلایه شروع شده که این هسته ها همانند جزیره هایی پراکنده سطح زیرلایه سیلیکونی را فرا می گیرند. اندازه این هسته ها به میزان اشباع شدگی بخارات در کوره و هم چنین دمای زیرلایه بستگی دارد و بعنوان محل هایی برای رشد ساختارهای سولفیدکادمیم عمل می کنند. علت قرار گرفتن کادمیم در ابتدای شروع رشد ساختارهای سولفیدکادمیم روی زیرلایه سیلیکونی، اشباع شدگی سریعتر بخارات کادمیم پس از تبخیر در مرکز کوره و حرکت بسمت زیرلایه می باشد. سپس بروی این هسته های کادمیمی، بخارات اشباع شده گوگرد نیز قرار گرفته و با هم واکنش می دهند و منجر به تشکیل ساختارهای سولفیدکادمیم می شوند.
