بخشی از مقاله
چکیده
دراین تحقیق نانو میلههای ZnO بر روی زیر لایه Si - 111 - نوع P بصورت عمودی و بدون استفاده از کاتالیست،با کیفیت بلوری بالا، رشد داده شده است. برای این منظور از سیستم B CVTC دو لولهای استفاده گردیده است. مورفولوژی نانومیلههای رشد یافته بر زیرلایه Si توسط میکروسکوب روبشی - - SEM و پراش اشعه - XRD - X و طیف فوتولومینسانس آنها مورد بررسی قرار گرفته است.
کلید واژه- اکسید روی، رشد عمودی، نانومیله، . CVTC کد .160.0160 - PACS
-1 مقدمه
در سالهای اخیر مطالعات فراوانی بر روی آرایه های متراکم نانومیلههای نیمرسانا - NRAs - با ساختاری یک بعدی، برای استفاده در ادوات نوری و الکترونیکی، انجام شده است.[1] بویژه نانومیلههای عمودی GaN، ZnO، و ZnS به علت گاف پیوندی بزرگ و مستقیمشان - - ، برای ساخت ادوات نوری فرابنفش مانند لیزرهای فرابنفش، مورد توجه بسیاری قرار گرفتهاند.[2] از میان آنها، - ZnO - بسبب داشتن انرژی بستگی اکسایتونی بزرگ - - 60meV نسبت به انرژی گرمایی - 26meV - در دمای اتاق، نسبت به مواد دیگر برای ساخت لیزرهای فرابنفش مناسبتراست[.3]معمولاً برای رشد عمودی نانومیلههای ZnO از زیرلایه آلومینا، به علت سازگاری مناسب ثابتهای شبکه آن با ثابتهای شبکه ZnO استفاده میشود.
رشد عمودی این نانومیلههای روی زیرلایه Si، دارای مزیتهایی از قبیل ارزان بودن آن نسبت به آلومینا و همچنین نیم رسانا بودن Si، که امکان استفاده در ادوات الکترواپتیکی را فراهم میکند، میباشد. از طرف دیگر، رشد عمودی نانومیلههای ZnO بر زیرلایه Si به علت عدم تطبیق شبکهی %40 بین ZnO و Si مشکل است و غالباً این گونه رشد با کمک کاتالیست صورت میگیرد. امااستفاده از کاتالیست معایبی نیز دارد، از جمله میتوان به ناخالصی ناشی از کاتالیست در ساختار بلوری نانومیله اشاره کرد که برای کاربردهای اپتیکی مضر است.در این تحقیق، نانومیلههای ZnO بر روی زیر لایه Si - 111 - نوعp _ بدون کاتالیست، بصورت عمودی رشد داده شده است و طیف فتولومینسانس نانومیلههای رشد یافته بررسی گردیده است.
-2 مراحل تجربی
در این تحقیق برای رشد نانومیلهها ZnO از سیستم CVTC دولولهای استفاده شده است.[7] چیدمان مورد نظر در شکل 1 نمایش داده شده است. به منظور رشد نانومیلهها ابتدا مخلوطی از پودر - %99/9 - ZnO و گرافیت - - % 99/9 - یا کربن سیاه - را با نسبت مولاریته برابر تهیه میگردد و به مقدار یکسان - 400 میلیگرم - در انتهای بسته دو لوله کوارتز داخلی، که قطرهای متفاوتی دارند، ریخته میشود. زیرلایهSi - 111 - تمیز شده به روشهای استاندارد در انتهای باز این دو لوله، همانطور که در شکل1نشان داده شده است، قرار داده میشود و سپس لولهی داخلی را بهگونه ای درون لوله بزرگ جاسازی میگردد که انتهای بسته لوله در میانه لوله بزرگ و بر وسط کوره حرارتی منطبق گردد و انتهای باز آن در خلاف جهت شار گاز آرگون قرار گیرد. سامانه رشد تا فشار 1 mbar تخلیه میشود. با شارش250sccm گاز آرگون، فشار سامانه را به 500 mbar میرسد و محفظه رشد را در این فشار ثابت میماند.
کوره با شیب دمایی 30 بر دقیقه تا دمای 1100سانتیگراد گرم میگردد و به مدت نیمساعت در این دما نگهداشته میشود. سپس کوره را خاموش نموده و بطور طبیعی دمای آن پایین آورده میشود. در طی فرآیند آزمایش فشار سامانه 500 mbar و شار گاز آرگون در 250 sccm ثابت میماند. در این آزمایش دمای زیرلایه بین 550 -650 سانتیگراد ثبت شده است.پودر ZnO توسط کربن در دماهای بالا طبق فرمول - 1 - احیا میشود. به علت تراکم بالا گازها و بخارات واکنشگر در محل منبع و همچنین دمای بالای آن نقطه، محصولات واکنش به سمت دهانه لوله درونی که دما و فشار کمتری دارد حرکت میکنند یعنی شار بخارات منبع، از داخل به سمت خارج لولهی داخلی میباشد. اما شار گاز حامل در خلاف جهت شار بخارات واکنش دهنده میباشد و از خروج بخارات واکنشگر از لوله داخلی ممانعت به عمل میآورد که باعث غلظت بالای بخارات واکنشگر و چگالی بالای هسته-زایی ناشی از چنین چیدمانی در محل زیرلایه می شود که برای رشد و تشکیل آرایهای منظم و کم نقصتر از نانومیلهها بسیار مناسب است.
-3 بررسی مورفولوژی نانومیلههای رشد یافته
مورفولوژی نانومیلههای رشد یافته، توسط میکروسکوپ روبشی الکترونی - SEM - و پراش اشعه ایکس - - XRD مورد بررسی قرار گرفت. تصاویر SEM نما از بالای نانومیلههای رشد نموده بر روی زیرلایه Si - 111 - که در شکل 2 نشان داده شده است، رشد عمودی این نانومیلهها را تایید میکند. از تصاویر مشخص است که سطح مقطع نانومیلههای، شش گوشه است که این ناشی از ساختار وورتزایت شبکه بلور ZnO میباشد. مشخص است که نانومیلهها رشد نموده، دارای انتهای صافی میباشند که حاکی غالب بودن مکانیزم رشد بخار-جامد - VS - در فرآیند رشد آنها میباشد. انتهای مسطح و تراکم بالای نانومیله رشد یافته، آنها را برای استفاده در لیزر مناسب مینماید.شکل 3 ، نمودار XRD مربوط به نمونه شکل 2 را نشان میدهد، حضور پیک بسیار قوی در جهت - 00l - در نمودار XRD، رشد موازی و عمودی نانومیلهها را در راستای C شبکه بلوری ZnO نمایش میدهد. پیکهای ضعیف دیگر ناشی از رشد تصادفی نانومیلهها میباشد.
-4 بررسی طیف فتولومینسانس نانومیلهها
در این تحقیق برای اندازگیری طیف فتولومینسانس از لامپ زنون در طول موج 325 به عنوان منبع تحریک نانومتر استفاده شده است. نمودار شکل-4 طیف فتولومینسانس در دمای اتاق نانومیلههای رشد یافته را نشان میدهد . گسیل فرابنفش ناشی از باز ترکیب اکسایتونها است، حال اگر پس از برانگیخته شدن الکترون، الکترون موجود در نوار هدایت بجای تشکیل اکسایتون به یکی از ترازهای ژرف درون گاف، ناشی از نقصهای بلوری، واهلش نماید و درآنجا با حفرهی گیرافتاده ترکیب میشود، حاصل گسیل نور مرئی بجای فرابنفش خواهد بود.[5] غالب بودن گسیل فرابنفش به گسیل مرئی، حاکی کیفیت بلورینسبتاَ خوب این نانومیله-هاست. [6] شدت کم طیف گسیلی در ناحیه مرئی، با قلهای در طول موج سبز، بیانگر وجود نقصهای درون شبکهای مانند تهیجاگاهای اکسیژن است7]و.[8
