بخشی از مقاله
چکیده
لایه هاي نازك سولفید روي با ضخامت هاي مختلف 500 - و800 و1100 نانو متر - روي زیر لایه شیشه معمولی در دماي اتاق به روش تخیر حرارتی در خلاء تهیه گردید. آنالیزاپتیکی لایه هاي نازك به روش سان پل حاکی از آن است که با کاهش ضخامت، درصد عبور در طول موج هاي بین 350-800 نانومتر افزایش می یابد. آنالیزساختاري نشان می دهد که لایه ها در ساختار هگزاگنال ساده چگالیده شده اند و با افزایش ضخامت، شدت قله - 103 - افزایش یافته و همچنین قله - 110 - در ضخامت هاي بالاتر ظاهر می شود که این نشان دهنده ي تاثیر ضخامت لایه روي خواص ساختاري است.
مقدمه
ترکیبات نیمه هادي گروه 2-6 به خاطر کاربردشان در محدوده وسیع تعدیل کننده هاي الکترواپتیک، سلولهاي خورشیدي بسیار مشهور می باشند[1] ZnS یک نیمه هادي با گاف اپتیکی مستقیم بزرگاز - 3/7ev - گروه 2-6 است که خواص اپتیکی بی نظیري را از جمله ضریب شکست بالا، جذب اپتیکی کم در ناحیه مرئی و مادون قرمز دارد که می تواند شکل مکعبی با ساختار Sphalerite و یا هگزاگنال با ساختار 2] Wurtziteو[3 را به خود بگیرد و به دلیل طبیعت و مقاومت ویژه بالا - ρ =107 Ωcm - ، یک ماده مورد توجه در اپتو الکترونیک است. [4] گزارشها حاکی از آن است که پودر ZnS ساختار کریستالی Wurtzite دارد و پس از تبخیر به این روش به صورت لایه نازك در ساختار Sphalerite چگالیده می شود.[3] روشهاي مختلفی براي تولید لایه نازك ZnS وجود دارد مانند: حمام شیمیایی[5] اسپري[6] ، تبخیر حرارتی1]و[3 ، کندو پاش[7] ، نشست فتو شیمیایی[8] ، نشست الکترو شیمیایی[9] ، و غیره. از میان همه این روشها روش تبخیر حرارتی به دلیل پایداري بیشتر، قابلیت تکرار پذیري و سرعت لایه نشانی زیاد، معمولترین روش در تولید لایه هاي نازك است. پر واضح است که پارامترهاي اپتیکی لایه نازك عموما با مواد مشابه آن به شکل توده متفاوت است. اختلاف در پارامترهاي اپتیکی شدیدا به شرایط لایه نشانی بستگی دارد. [1]
در این مقاله پیرامون خواص اپتیکی لایه هاي نازك سولفید روي که به روش تبخیر حرارتی تهیه می شوند بحث نموده و ضریب شکست لایه ها باضخامت هاي مختلف را که به وسیله ارزیابی طیف عبوري بدست آمده اند، با استفاده از روش سان پل[10] مورد مطالعه قرار می دهیم. علاوه بر آن ساختار کریستالی لایه ها نیز مورد بررسی قرار خواهند گرفت. تعیین ثابت هاي اپتیکی با استفاده از روش سان پل در بسیاري موارد ثابت هاي اپتیکی با عبور دادن نور از لایه نازك جاگذاري شده بر بستر شیشه اي اندازه گیري کلمی شود.در میزان نور عبوري از یک لایه نازك به میزان انعکاس و جذبی که در فاصله نوري رخ می دهد، بستگی دارد. اکر یک لایه نازك با ضریب جذب α در نظر بگیریم، تداخلهاي چندگانه اي همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است در لبه لایه دیده می شود.
در این حالت بعضی فریزهاي تداخلی در طیف عبوري گرفته شده توسط اسپکتروفتومتر، همانطوري که در شکل 2 نشان داده شده است، قابل مشاهده می باشد. [11]
روشهاي زیادي براي مشخص کردن ضریب خاموشی - - k و ضریب شکست - - n وجود دارد اما در این مقاله از روش سان پل براي بدست آوردن پارامترهاي اپتیکی از طیف عبوري استفاده می شود که یک روش خیلی مفید و کاربردي است و سبب استفاده از این فریزهاي تداخلی براي تعیین خواص نوري مواد می شود. سان پل نشان داد که خواص نوري لایه نازك یکنواخت با ضخامت d ضریب شکست n و ضریب جذب α که بر روي بستري با ضریب شکست ns جاگذاري شده است، همانطوري که در شکل 1 نشان داده شده است، می تواند از میزان نور عبوري T
داده شده با رابطه زیر محاسبه شود: از اینکه خواص نوري هر لایه نازکی محاسبه شود، ابتدا باید ضریب شکست بستر به دست آید. براي یک بستر شیشه اي با جذب قابل چشم پوشی، در بازه طول موج هاي به کار برده شده، ضریب شکست ns برابر است با:
با داشتن ضریب شکست بستر مرحله بعدي رسم دو محدوده پیرامون ماکزیمم ها مینیمم هاي فریز هاي تداخلی در طیف عبوري همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، می باشد و باید مطمئن شد که محدوده هاي مورد نظر، TM - λ - براي ماکزیمم ها و Tm - λ - براي مینیمم ها حتما از این نقاط بگذرند.از معادله - 1 - واضح است که در ϕ − 1، معادلاتی که این دو محدوده را
مشخص می کنند عبارتند از : ناحیه خاص که شامل ناحیه شفاف، جذب قوي و ناحیه اي که بین دو ناحیه قبلی می باشد و از نظرجذب در حد ضعیف یا متوسط می باشند، تقسیم شده اند.ضریب شکست لایه نازك با توجه به دو محدوده ترسیم شده TM - λ - و Tm - λ - و ضریب شکست بستر با رابطه زیر تعیین می شود: معادله فوق در ناحیه جذبی قوي، به دلیل آنکه ماکزیمم و مینیممی وجود ندارد، نامعتبر می باشد. با محاسبه ضریب شکست لایه، مطابق با دو ماکزیمم مجاور - دو مینیمم مجاور - در نقاط داده شده به صورت n1 در λ1 و n2 در λ2 ، ضخامت از معادله پایه امواج تداخلی تعیین می شود: d λ1λ2 /[2 - λ1n2 − λ2n1 - ] براي حالتی که یک ماکزیمم ومینیمم مجاور در نظر بگیریم، ضخامت از رابطه زیر محاسبه می شود[11]
شرح آزمایش
خلوص بالا در دستگاه آلتراسونیک به مدت 5 دقیقه قرار داده شد و در خاتمه با آب دیونیزه شسته و با فشار هواي نیتروژن خشک شد[12] ودر محفظه خلا جهت لایه نشانی قرار داده شد. براي لایه نشانی از دستگاه لایه نشانی در خلاء Hindhivac مدل 15F6 استفاده گردید. بوته از جنس مولیبدن با شکلی متناسب با مواد تبخیري آماده شد. قبل از انجام آزمایش از اشعه ماوراي بنفش - - UV براي رفع هر گونه آلودگی باقیمانده روي بستر استفاده شد. نمونه ها در فشار 4 ×10-6mbar با نرخ لایه نشانی متوسط 0 15 A/ s ودر دماي محیط در ضخامت هاي 500 و800 و1100 نانومتر تهیه شدند که نرخ و ضخامتها توسط ضخامت سنج بلور کوارتز در حین لایه نشانی ثبت شده اند .پس از لایه نشانی نمونه ها در محفظه تحت خلاء نگهداري شدند تا دماي آنها به دماي محیط برسد به این ترتیب حداقل شوك حرارتی به آنها وارد شد. نمونه ها از لحاظ ظاهري بسیار شفاف و یکنواخت بودند و چسبندگی خوبی به بستر داشتند.
نتایج و بحث
لایه هاي تهیه شده مورد مطالعه ساختاري و اپتیکی قرار گرفت. براي این منظور از دستگاههاي XRD و Spectrophotometer استفاده شد. ماده اولیه ZnS با درصد خلوص % 99/99 بصورت پودري با مارك شکل 4 نمودار اشعه ایکس لایه هاي نازك ZnS با ضخامت هاي متفاوت آلدریچ تهیه شد. زیرلایه ها از جنس شیشه معمولی به شکل مربعی شکل 4 الگوي پراش پرتو ایکس مربوط به لایه نازك سولفید روي به ضلع 1 سانتی متر ابتدا در بشر حاوي استون و سپس اتانول با با ضخامت هاي مختلف را نشان می دهد. در ضخامت 1100
