بخشی از مقاله
چکیده
در این کار تحقیقاتی، کلوئید نانوکریستال های سیلیکون توسط فرآیند کندگی لیزرتپی نانوثانیه در محیط آب تولید و خواص رخشانی1 نوری آن ارائه شده است. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری و پراش اشعه ایکس، نانوکریستال های کروی با ابعاد 4-12 نانومتر مشخصه یابی شده است. طیف رخشانی گسیلی نانوکریستال های کلوئیدی سیلیکون در ناحیه قرمز با بیشینه طول موج 655 نانومتر مشاهده شده است. طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز، تشکیل لایه اکسید بر روی سطوح نانوکریستال های سیلیکون را تائید می نماید. بررسی نتایج رخشانی کلوئید نشان می دهد که مکانیزم گسیل نور قرمز، ناشی از اثر محبوس شدن کوانتومی حامل های بار در نانوکریستال های سیلیکون و فرآیند بازترکیب الکترون و حفره در لایه اکسید سطحی می باشد. خواص نوری مشاهده شده در نانوکریستال های سیلیکون، این مواد را به گزینه با ارزشی برای ساختن وسایل اپتیکی از قبیل دیودهای گسیل نوری و پروب های اپتیکی با کاربرد تشخیص در پزشکی تبدیل می کند.
مقدمه
نانوکریستال های سیلیکون عمدتا به علت خواص اپتیکی، به ویژه خاصیت گسیل القائی بطور وسیعی مورد مطالعه قرار گرفته اند. تحقیقات اخیر نشان می دهد که کلوئید نانوکریستال های
سیلیکون دارای مزایای زیادی جهت استفاده در صنعت اپتوالکترونیک می باشد. ویژگی عمده آنها افزایش فرآیند گسیل القائی به دلیل افزایش مراکز تابش است .[1] افزایش مراکز تابش می تواند ناشی از اثر محبوس شدن کوانتومی حامل های بار در نانوکریستال ها و همچنین فرآیند بازترکیب الکترون-حفره در لایه اکسید تشکیل شده برروی سطح نانوکریستال های سیلیکون باشد که در محیط مایع تولید می شوند. تاکنون روش های فیزیکی و شیمیایی مختلفی برای تولید نانوکریستال های سیلیکون استفاده شده است که در این میان، فرآیند کندگی لیزری در مایعات روشی ساده وموثر جهت تولید نانوذرات بوده که یکی از مزیت های عمده آن عدم نیاز به شرایط خاص آزمایشگاهی از جمله فشار و دمای خیلی زیاد می باشد .[2] از این رو مطالعات زیادی جهت تولید نانوکریستال های سیلیکون در مایعات مختلف با استفاده از روش کندگی لیزری صورت گرفته است. در این کار، نانوکریستال های سیلیکون در محیط آب توسط فرآیند کندگی لیزر تپی نانوثانیه تولید شده است. با استفاده از وسایل میکروسسکوپ الکترونی عبوری، پراش اشعه ایکس ، طیف سنج مرئی- فرابنفش2، طیف سنج تبدیل فوریه مادون قرمز3 و دستگاه فوتولومینسانس نانوکریستال های تولید شده مشخصه یابی شده اند. مکانیزم گسیل نور از کلوئید نانوکریستال های سیلیکون مورد مطالعه قرار گرفته، سپس اثر محبوس شدن کوانتومی حامل های بار و نیز نقش لایه اکسید سطحی در خواص تابشی کلوئید بررسی شده است.
بخش تجربی
برای تولید نانوکریستال های کلوئیدی، یک نمونه سیلیکون - نوع- - n درون یک محفظه شیشه ای محتوی آب به حجم 10cm3 تحت تابش تپهای لیزر Nd: YAG با پهنای 18 ns قرار داده شده است. باریکه لیزر با پروفایل گاوسی توسط یک عدسی با فاصله کانونی 50cm برروی سطح هدف متمرکز شده است. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری و پراش اشعه ایکس، نانوکریستال های کروی با ابعاد 4-12 نانومتر مشخصه یابی شده است. طیف جذبی کلوئید توسط طیف سنج فرابنفش-مرئی اندازه گیری شده و از طیف سنج تبدیل فوریه مادون قرمز جهت تشخیص اجزای سطحی نانوکریستال های سیلیکون استفاده شده است. همچنین، به منظور بررسی خواص تابشی کلوئید، طیف رخشانیآن اندازه گیری شده است
نتایج و بحث
نتایج حاصل از مشخصه یابی کلوئید توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش اشعه ایکس، بیانگر تشکیل نانوکریستال های سیلیکون با توزیع قطر 4 - 12 نانومتر می باشد - شکل. . - 1 نتیجه حاصل از پراش اشعه ایکس، ساختار الماسی با بیشینه های مشخص پراش مربوط به صفحات - 111 - ، - 220 - و - 311 - سیلیکون را نشان می دهد. موج تقریبا 450 نانومتر، آهنگ جذب به طور ناگهانی افزایش می یابد. مطابق شکل 3، تشکیل لایه اکسید برروی سطح نانوکریستال های سیلیکون توسط طیف تبدیل فوریه مادون قرمز نشان داده شده است. پیوندهای سطحی نانوکریستال های سیلیکون شامل Si-O-Si در 1100cm-1، Si-O2 در 800 cm-1، O-Si-H در 2350 cm-1 و Si-O-H در 3400 cm-1 مشاهده شده است. مقطر را در طول موج برانگیختگی 435 نانومتر نشان می دهد. همانطور که در این شکل مشاهده می شود بیشینه طیف رخشانی کلوئید نانوکریستال های سیلیکون در طول موج قرمز 655 نانومتر قرار دارد. لازم به ذکر است که آب مقطر خالص در محدوده طول موجی 625- 675 نانومتر هیچگونه گسیلی نشان نمی دهد.
از این رو، نانوکریستال های سیلیکون عامل گسیل نور در این محدوده می باشند. بطور کلی مکانیزم گسیل نور توسط نانوکریستال های سیلیکون، ناشی از فرآیندهای اثر محبوس شدن کوانتومی حامل های بار و بازترکیب الکترون-حفره در لایه اکسید سطحی می باشد .[3] هنگامی که حامل های بار در نانوکریستال های سیلیکون محبوس می شوند تابع موج الکترون و حفره می تواند به صورت جزئی همپوشانی کنند. این مکانیزم در مورد نیمه هادی های با گاف انرژی غیر مستقیم مانند سیلیکون نیز منجر به انجام گذارهای شبه- مستقیم4 می شود. بدین ترتیب احتمال بازترکیب تابشی زوج الکترون- حفره افزایش می یابد. همانطور که گزارش شده است،
اثر محبوس شدن حامل های بار در ایجاد طیف رخشانی به اندازه نانوکریستال ها وابسته است و گسیل نور قرمز در ناحیه 625-675 نانومتر، تنها در نانوکریستال های سیلیکون با اندازه متوسط 3 نانومتر اتفاق می افتد .[4] در حالی که نتایج حاصل از مشخصه یابی نمونه کلوئیدی - شکل - 1 نشان می دهد که اندازه متوسط نانوکریستال های سیلیکون تولید شده بزرگتر از 3 نانومترمی باشد. بنابراین مکانیزم اثر محبوس کردن کوانتومی به تنهایی گسیل نور قرمز نانوکریستال های سیلیکون را توجیه نمی کند. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، طیف تبدیل فوریه مادون قرمز تشکیل لایه اکسید بر روی سطح نانوکریستال های سیلیکون را تایید می کند. در اثر تشکیل لایه اکسید سطحی، باندهای آزاد5 خوشه سیلیکون کاهش یافته که این فرآیند باعث حذف مراکز غیر تابشی می شود .[5]
در واقع با تشکیل لایه اکسید، سطح نانوکریستال سیلیکون غیر منفعل شده که این امر باعث افزایش بازترکیب زوج الکترون-حفره ناشی از اثر محبوس شدن کوانتومی و افزایش راندمان گسیل نانوکریستال ها می شود .[6] از این رو، به نظر می رسد که تشکیل لایه اکسید سطحی در فرآیند گسیل نورقرمز نانوکریستال سیلیکون موثر است. همچنین با
تشکیل لایه اکسید سطحی برروی نانوکریستال های سیلیکون، فرآیند باز ترکیب الکترون-حفره در نقص ها ویا حالت های جایگزیده سطحی6 امکان پذیر می باشد. به عبارت دیگر تشکیل لایه اکسید سطحی می تواند سبب ایجاد حالت هایی7 در بین گاف انرژی نانوکریستال های سیلیکون شده که در نتیجه این حالت ها می توانند به عنوان مراکز تابشی عمل کنند 1]و.[7
