بخشی از مقاله
چکیده
سولفیدقلع جزء کلکونایدهای فلزی عضو گروه IV-VI به دلیل پهنای باند باریک و ویژگیهای مناسب نوری و الکترونیکی مورد توجه قرار گرفتهاند. سه نوع ساختار بلوری که شامل اورتورمبیک، بلند روی و ساختار نمک طعام اعوجاج یافته برای سولفیدقلع وجود دارد اما ساختار اکثر فیلمهای سولفید قلع اورتورمبیک میباشد. پهنای باند نوری مستقیم آن در محدوده ev ٌِ؛ٌٍ بوده و پهنای باند غیر مستقیم بین ev ٌٍ؛ٌ میباشد. هدایت سولفیدقلع بالا بوده و از نوع p میباشد. در دمای بالاتر از 265 درجه سانتیگراد SnS به آرامی به SnS2 و قلع تجزیه میشود؟ SnS2 دارای پهنای باند ×evًٍْ بوده و هدایت آن از نوع n است.
واژههای کلیدی: سولفیدقلع، پهنای باند نوری، اورتورمبیک، بلندروی، نمک طعام
-1 مقدمه
مفید بودن خصوصیات لایههای نازک و جالب توجه بودن مطالعه بر روی رفتارجامدهای دو بعدی باعث شده که چه از نظر علمی و چه از نظر تکنولوژی به لایههای نازک توجه ویژهای شود. امروزه بسیاری از قطعات مدرن و پیچیده نوری، الکتریکی و الکترونیکی با استفاده از لایههای نازک پوشش داده میشوند. با پیشرفت صنایع الکترونیک به قطعاتی نیاز است که قادر به واکنش سریع در مقابل تغییر جهت جریان و همچنین قادر به پاسخگویی بسامدهای بالا باشند. با ساخت دیود و ترانزیستور اولین گام جدی جهت به کارگیری لایههای نازک برداشته شده است. با رشد زمینههای مختلف استفاده از مدارهای الکترونیکی مانند وسایل صنعتی، آزمایشگاهی، خانگی و به ویژه فضایی و نظامی، دانشمندان و محققان به این فکر افتادند تا به جای ساختن قطعات جداگانه بتوانند تا حد ممکن، تعدادی زیادی از این قطعات و مدارها را در یک واحد گنجانیده و تولید کنند.
افزایش تمرکز مدارهای مجتمع سبب شد تا لایههای نازک و تکنولوژی ساخت آنها از اهمیت ویژهای برخوردار شود. لایههای نازک در ساخت وسایل نوری، الکترونیکی و اپتوالکترونیک، آینههای لیزر و قطعات اکوستیکی نقش اساسی دارد و سالانه مبالغ زیادی صرف تحقیقات و سرمایهگذاری در این زمینه میشود بٌب. تکنولوژی لایههای نازک یکی از قدیمیترین هنرها و در عین حال یکی از جدیدترین علوم به شمار میرود. تاریخچه استفاده از لایههای نازک بخصوص لایهای نازک فلزی به عهد باستان و در حدود 3400 سال پیش بر×میگردد. طلاکاری، اکلیل زدن، نمونههای بارزی از این هنرها در دوران گذشته میباشد. اینروند تا به امروز ادامه داشته است اما احتمالا اولین لایه-های نازک مدرن و امروزی در سال 1838 میلادی و به روش الکترولیز بدست آمده است. بونسن1 و گروو2 توانستند لایههای نازک فلزی را به ترتیب با روش واکنش شیمیایی و پراکنش تخلیه نورانی به دست آورند ]ٍ.[
فارادی در سال 1857 میلادی توانست با استفاده از تبخیر حرارتی3 از سیمی که از آن جریان زیادی عبور میکرد، لایههای نازک فلزی بهدست آورد. امروزه تکنولوژی ساخت لایههای نازک بسیار گسترده شده و هم اکنون ساخت لایههای نازک بهسمت فناوری نانو سوق داده شده است ]َ.[ جذابیت استفاده از سلولهای خورشیدی فوتوالکتروشیمیایی - PEC - 4 منجر به گسترش تحقیقات در زمینه ساخت مواد پلی کریستالی لایه نازک شد. در حال حاضر محققان در آزمایشگاههای مختلف در حال بررسی و ساخت مواد جدیدی به منظور استفاده در کاربردهای فوتوولتائیک5 برای استفاده در سلولهای خورشیدی ارزان قیمت هستند. جهت ساخت سلولهای خورشیدی نیمههادیهای مختلفی وجود دارد. مهمترین چالش در انتخاب ماده مناسب عبارتند از: قیمت ارزان، سازگار با محیط زیست و بهره مناسب میباشد ]ّ؛ُ.[
تا کنون تلاشهای زیادی جهت یافتن مواد جدیدی که بتوان در صنعت تبدیل انرژی از آنها استفاده کرد، انجام گرفته است. دو فاکتور مهم که مواد فوق باید داشته باشند عبارتند از: داشتن انرژی پهنای باند6 در محدوده طیف خورشیدی و دومین فاکتورمسئله قیمت میباشد ]ْ.[ اولین معیار توسط برخی مواد مثل Si و GaAs برآورده شدند. اما قیمت این مواد در مقیاس زیاد تولید بسیار گران میباشد. جهت کاهش دادن قیمت تلاشهای محققان جهت یافت مواد جدید ادامه یافت. از میان مواد مورد بررسی قرارگرفته شده کلکونایدهای فلزی1 مثل CdS و CdSe عضو گروه IV-VI و به دلیل پهنای باند باریک و ویژگیهای مناسب نوری و الکترونیکی و اپتوالکتریکی2 جالب بودند. از بین این مواد سولفید قلع - SnS - بدلیل ارزان بودن، فراوانی در پوسته زمین، غیر سمی بودن و عاری بودن از فلزات سنگین - یعنی عاری از کادمیم، سرب و جیوه - از اهمیت ویژهای برخوردار است ]َ.[
-2 خواص سولفیدقلع
اکثر سلولهای خورشیدی از لایههای نازک پلیکریستالی جاذب تشکیل میشوند. البته با اینکه این مواد دارای راندمان بالایی بودند اما مشکلاتی نیز وجود داشت. کمیاب بودن ایندیم و مشکلات مربوط به سمی بودن آن باعث توسعه مواد جدیدی شد که غیرسمی بوده و به وفور در طبیعت یافت میشوند. دیتریچ3 و همکارانش مواد زیادی که امکان استفاده آنها در سلولهای خورشیدی وجود داشت را بررسی کردند. از میان مواد بررسی شده نمکهای سولفاتی مواد نوید بخش و امیدوارکنندهای جهت استفاده در ساخت سلولهای خورشیدی بودند ]ٌٌ؛ُ.[ سولفیدقلع یکی از کلکونایدهای قلع متعلق به گروه شیمیایی IV-VI با وزن مولکولی ًٌَِْ گرم میباشد. سولفیدهای قلع دوجزئی مختلفی مثلSnS×، SnS2×، Sn2S3×، Sn3S4 و Sn4S وجود دارند که از بین اینها SnS و SnS2 از اهمیت زیادی برخوردارند ] ٌَ،ٌٍ.[ سولفیدقلع بدلیل خواص الکتریکی و نوری مطلوب و همچنین پهنای باند باریک در ساخت وسایل حالت جامدی مثل وسایل فوتوولتائیک>14@ 4، وسائل فوتوالکتروشیمیایی] 5ٌِ[، سلولهای هادی نوری6 نوری] 6ٌّ[، و باتریهای لیتیومی جاسازیشونده7 مورد استفاده قرار میگیرد ]ٌْ.[
همچنین لایههای نازک SnS بدلیل ضریب جذب بالا - ٌ؛cm ًٌُ - > و راندمان تبدیل بالا - × - >%24برای ساخت سلولهای خورشیدی هتروجانکشن8 مورد استفاده قرار می-گیرند ]ٌُ،ٌَ.[ سه نوع ساختار بلوری که برای سولفیدقلع دارای سه ساختار بلوری مختلف میباشند که عبارتند از: اورتورمبیک، بلندروی - ZB - 9 و ساختار نمک طعام اعوجاج یافته.10 ساختار اکثر فیلمهای سولفید قلع اورتورمبیک میباشد اما وجود سولفیدقلع با ساختارهای بلند روی و نمک طعام اعوجاج یافته گزارش شده است ]ٍٍ؛ًٍ.[ گروه فضایی سولفیدقلع D میباشد. ضریب جذب سولفیدقلع بزرگتر از 4 ev - حدود لبه جذب - CdTe است. بالا بودن جذب سولفیدقلع بخاطر لرزشهای شبکه در بلورهای قطبی میباشد. پهنای باند نوری مستقیم آن در محدوده ×evٌِ؛ٌٍ بوده که بین پهنای باند GaAs و ×Si قرار میگیرد و پهنای باند غیر مستقیم بین ev ٌَ؛ٌ میباشد. هدایت سولفیدقلع بالا بوده × 90 - موبیلیته حفره - و از نوع 11P میباشد. البته هدایت
