بخشی از مقاله
چکیده
تک بلورهاي زینک سلناید توسط روش انتقال بخار شیمیایی رشد داده شدند. با استفاده از مدل ترمودینامیکی شرایط بهینه رشد براي رشد تک بلورهاي ZnSeپیش بینی شده و تک بلورهاي زینک سلناید در شرایط مختلف از جمله شرایط بهینه رشد داده شدند. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی میکرو مورفولوژي تک بلورهاي رشد کرده مطالعه گردید. تحقیقات نشان داد که تک بلورهاي رشد یافته تحت شرایط بهینه در مقایسه با بلورهاي رشد کرده در شرایط دیگر از ساختار مطلوب تري برخوردارند.
واژه هاي کلیدي: تک بلورها، انتقال بخار شیمیایی، میکرو مورفولوژي
مقدمه
تک بلورهاي ZnSe به دلیل داشتن گاف بزرگ انرژي - 2/7ev - در دماي اتاق و جذب خیلی کم انرژي در ساخت لنزهاي لیزر با توان بالا مفید می باشند. تک بلورهاي ZnSe به عنوان زیرلایه در ساخت دیودهاي نوري آبی رنگ استفاده می شوند. همچنین این بلورها براي لنزهاي لیزر CO2، سیستم هاي دید در شب و پنجره هاي اپتیکی براي اسپکتروسکوپی IR به کارمی روند.1]و[2 به دلیل داشتن نقطه ذوب بالا - 1525 °C - و فشار بخاري که در دماي ذوب این بلور ایجاد می گردد و نیز تجزیه آن در دماي ذوب، استفاده از روشهاي رشد بلور در دماهاي پایین مطلوب تر می باشد.
رشد به روش انتقال بخار شیمیایی1 به علت داشتن مزایاي متعددي از جمله رشد در دماي پایین براي رشد تک بلور ZnSe بکار گرفته می شود. عموماً کیفیت تک بلورهایی که به این روش رشد داده می شوند متاثر از پایداري دماي ناحیه رشد و ثبات در انتقال جریان موادي می باشد که از ناحیه منبع به ناحیه رشد منتقل می گردند 3]و. [ 4 یک تغییر بسیار کوچک در دماي ناحیه رشد باعث از بین رفتن این ثبات گشته و در نتیجه ترکیب گاز تغییر نموده و هسته هاي جدید رشد می کنند. بنابراین کنترل دما در مرز رشد بلور - جامد-بخار - از اهمیت خاصی برخورداراست ولی کنترل دما در مرز رشد معمولاً ضعیف تر از دقت ±0/1ºC میباشد که توسط کنترل کننده هاي دمایی نشان داده می شوند.[5]
مدل ترمودینامیکی
براي سیستم ZnSe-I2 واکنشهاي زیر را که همزمان به وقوع میپیوندد در نظر میگیریم.با فرض اینکه فاز بخار فقط شامل چهار مولفه ZnI2,Se2,I2,Iمیباشد و با فرض بقاي ید در داخل تیوب بسته و برقراري استاکیومتري دقیق در مواد اولیه رشد میتوان نوشت:
که nI o2 تعداد مولهاي ید اولیه و nهاي دیگر تعداد مولهاي مولفه هاي متناظر می باشند. رابطه ثابت تعادل با فشارهاي جزئی بهشکل زیر نوشته میشود:
بر اساس واکنشهاي فوق و همچنین رابطه ثابت تعادل با دما ، فشارهاي جزئی عناصر را بر حسب دما و غلظت اولیه ید توسط حل عددي معادلات - 4 - تا - 7 - براي محدوده دمایی 500 تا 1200درجه سانتیگراد با اختلاف دمایی 50 ° C می توان تعیین نمود.روش حل، مشابه با مرجع [6] می باشد که از داده هاي ترمودینامیکی داده شده در مرجع شماره [7] استفاده گردیده است.کمیت PZnI 2 α معرفی می گردد که بیان کننده نسبت بین تعدادمولکولهاي ZnI 2 و مولکولهاي ید در فاز گاز سیستم ZnSe-I2 است. شکل - 1 - تغییرات α - T2 −T1 50o C را به عنوان تابعی از دماي ناحیه رشد - T1 - براي غلظت ها ي مختلف عامل انتقال نشان می دهد. از آنجایی که بین مقادیر PI o2 در ناحیه منبع و ناحیه رشد به ازاءT 50o C تفاوت چندانی وجود ندارد، بنابراین می توان با
کمی تقریب α را برابر با PZnI 2 در نظر گرفت.
علاوه بر این نشان داده شده که تغییر در آهنگ انتقال متناسب با PZnI 2 می باشد. بدون در نظر گرفتن نوع انتقال در طول تیوب می توان فرض نمود که آهنگ انتقال متناسب با α است. همانطور که درشکل - 1 - مشاهده می نماییم هر چقدر غلظت عامل انتقال افزایش می یابد منحنی ها پهن تر شده و موقعیت قله ها به سمت دماهاي بالاتر میل می نماید. براي همه منحنی ها، در دماهاي نزدیک به قله ها تغییرات α به آهستگی صورت می پذیرد. این به معناي آن است که براي مقادیر معین غلظت عامل انتقال یک دماي بهینه رشد وجود دارد که در این دما میزان جریان مواد کمترین تغییر را با دما نشان می دهد. انتخاب دماي رشد نزدیک به قله منحنی ها در شکل - 1 - حساسیت آهنگ انتقال را به نوسانات دمایی در طول تیوب در کوره کاهش می دهد و تک بلور با کیفیت بالاتري رشد می نماید..[6-9]در پژوهش اخیر تک بلورهاي ZnSe به روش انتقال بخارشیمیایی با عامل انتقال ید در دماي بهینه و دماهاي غیر بهینه رشدداده شده اند و موفولوژي سطح تک بلورها مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است.
انجام آزمایشات رشد
تیوبی از جنس کوارتز با قطر داخلی 20mm و قطر خارجی 24mm به طول 15 سانتیمتر که داراي سر مخروطی شکل با زاویه رأس کمتر از 60 درجه می باشد، تهیه گردید. سپس تیوب توسط
0/65 گرم پودر Zn و0/79 گرم پودر Se با درجه خلوص بالا - 99/999% - پر شد. بعد از پر نمودن مواد اولیه، عامل انتقال ید باغلظت 2/5 mg به ازاء هر cm3 از فضاي خالی تیوب به مواد
فوق افزوده گشت و تیوب در حضور خلأ 2×10−6 torr بسته شد. کپسول آماده شده در کوره افقی سه ناحیه اي که دماي آن توسط کنترل کننده حرارتی با دقت . ± 0.1o C کنترل می شود،قرار گرفت. پروفایل دمایی معکوس به طوریکه ناحیه رشد دردماي بالاتري نسبت به ناحیه منبع قرار گیرد به مدت 24 ساعت برقرار شده تا ذرات اضافه از ناحیه رشد بلور تبخیر و این ناحیه
کاملا تمیز گردد. سپس دماي ناحیه رشد را در دماي تعیین شده توسط منحنی شکل - 1 - به ازاء غلظت 2/5 گرم بر سانتیمتر مکعب 775 درجه سانتیگراد - دماي بهینه - و دماي ناحیه منبع را با اختلاف دمایی معین - - T 50o C در دماي 825 درجه سانتیگراد قرار دادیم. شکل - 2 - پروفایل دمایی کوره و طرز قرارگرفتن تیوب در این پروفایل را نشان می دهد.
مطالعه میکرو مورفولوژي تک بلورها
تک بلورینه بودن نمونه هاي رشد یافته توسط میکروسکوپ پلاریزان2 و نیز توسط دستگاه پراش اشعه x مخصوص تک بلورها 3مورد بررسی قرار گرفت. همچنین نمونه هاي پودر شده از بلورهاي رشد یافته توسط اشعه x مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که تک بلورهاي رشد یافته عمدتا داراي ساختار مکعبی می باشند. شکل - 4 - نمودار پراش پرتو x از تک بلور ZnSe رانشان می دهد.پس از 14 روز در پایان فرآیند رشد کوره با آهنگ دمایی50 oC h سرد شد تا تک بلورهاي رشد یافته تحت تنش حرارتیبالایی قرار نگیرند و نقص حرارتی کمتري در تک بلورها ایجاد گردد. پس از سرد شدن کوره کپسول شکسته شده و بلورهاي رشدیافته بیرون آورده شدند.
تک بلورها داري رنگ قهوه اي مایل بهزرد هستند. ابعاد بزرگترین تک بلور رشد کرده در حدود3×3× 3mm3 می باشد. شکل - 3 - تک بلورهاي ZnSe رشدداده به روش انتقال بخار شیمیایی را نشان می دهد.مطالعه میکرو مورفولوژي بر روي سطح تک بلورهاي رشدیافته توسط دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی 4 صورت پذیرفت. شکل - 5 - سطح یک تک بلور رشد کرده در دماي بهینه775 °C - دماي ناحیه رشد - را نشان می دهد که داراي صفحاتکامل شده و داراي شکل چند وجهی5 است و در حالت کلی تکبلور رشد کرده از کیفیت بالایی برخوردار است که این می تواند
