بخشی از مقاله

چکیده

نانوساختارهاي منظم عمودي ZnO با سطح مقطع شش وجهی با روش DC اسپاترینگ واکنشی رشد داده شدند. با استفاده از عملیات حرارتی در کوره خلاء با کنترل فرایند، شرایط مطلوب از نظر ساختاري و گسیلی حاصل شد. تصاویر مورفولوژي با SEM شکل نانوساختاري با سطح مقطع شش وجهی با قطر حدود 50 تا 150 نانومتر را تایید کرد. با استفاده از طیف XRD ساختار بلوري نمونه مشخص شد و بلورینگی نسبتا خوب این نانو ساختارها تایید شد. با استفاده از طیف فوتولومینسانس - PL - خواص نوري این نانوساختارها بررسی شد. طیف PL یک قله تیز در محدوده طیفی فرابنفش نزدیک نشان میداد. به طور برجسته از این نانوساختارها میتوان در ساخت ابزارهاي اپتوالکترونیکی نظیر گسیلندههاي نوري UV و دیود لیزرهاي UV بهره برد.

مقدمه

ZnO یک نیمههادي اکسید فلزي گروه II-VI با گاف نواري مستقیم Eg =3/37 eV - در دماي اتاق - و انرژي پیوندي اکسایتونی نسبتا بزرگ - حدود - 60 meV است که کاربردهاي متنوعی در الکترونیک و فوتونیک دارد. نانوساختارهاي گوناگونی از ZnO همچون نانومیلهها، نانوسیمها و نانو تسمهها ساخته شدهاند .[4-1] PACS No. 81.15.Cd, 78.67.Uh, 78.55.Cr قبلا نشان داده شده است که نانوساختارهاي یک بعدي در ابزارهاي الکترونیکی، اپتوالکترونیکی و الکترومکانیکی مثل لیزرهاي [3] UV، دیودهاي گسیلنده نور [4] و نانو-پیزو مولدها [5] کاربردهاي متنوعی دارند. در ساختار ZnO نقصهاي ذاتی و غیر ذاتی هردو وجود دارند. وجود چنین نقصهایی به شدت بر فوتولومینسانس - PL - و هدایت نوري ماده اثر میگذارند.

بازپخت87ZnO در محیط غنی از اکسیژن یا محیط داراي کمبود اکسیژن به منظور افزایش یا کاهش جاهاي خالی اکسیژن - VO - نوع نقصها با مطالعه خواص [9 - 6] PL و خواص هدایت نوري [7] گزارش شده است.در این کار با استفاده از روش DC اسپاترینگ واکنشی و کنترل فرایند، موفق شدیم نانوساختارهاي ZnO با سطح مقطع شش وجهی بر روي زیرلایه شیشه رشد دهیم. به منظور بهبود گسیل نوري، نمونهها را در اکسیژن باز پخت کردیم. پس از بازپخت طیف فوتولومینسانس - PL - ساختار در ناحیه فرابنفش و مرئی ثبت شد. پیک نسبتا خوبی در ناحیه طیفی فرابنفش نزدیک مشاهده کردیم. با توجه به نتایج این تحقیق امکان استفاده از این نانوساختارها براي ساخت نانو ابزارهاي اپتوالکترونیکی UV،همچون LEDهاي ماوراء بنفش و لیزرهاي دیود UV فراهم می شود.

بخش تجربی

نوع زیرلایه به کار رفته در این آزمایش لام شیشهاي بود. تارگت اسپاترینگ از فلز Zn با قطر 3 اینچی و خلوص% 99/995 ساخته شده است. فاصله عمودي تارگت تا زیرلایه در این آزمایش حدود 5/5 سانتیمتر بود. فشار پیش اسپاترینگ که توسط پمپ توربومولکولی تامین میشد، 6×10- 6 mbar بود. براي شروع عملیات اسپاترینگ، مخلوط گاز آرگون و اکسیژن طوري تنظیم شد که نسبت Ar:O2 برابر 10:1 باشد. در حین اسپاترینگ توان DC برابر 250 W وات و نرخ لایه نشانی 1/9 A/s تنظیم شد. فرآیند اسپاترینگ یک ساعت به طول انجامید که در این مدت مقدار ماده نشست کرده روي زیرلایه حدود 700 نانومتر اندازهگیري شد.

عملیات حرارتی نمونه در کوره لولهاي افقی تحت خلاء انجام شد. قسمت مرکزي کوره با استفاده از فیلمانهاي مناسب تا دماي 350 درجه گرم شد. از طریق شیر سوزنی مناسب گاز اکسیژن با خلوص 99/99% وارد محفظه شد تا فشار محفظه به حدود mbar 110-1 رسید. عملیات حرارتی 2 ساعت طول کشید. مورفولوژي نانومیلههاي ZnO با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مدل XL30 با ولتاژ شتاب در محدوده 15- 25 kV بررسی شد. ساختار بلوري نمونه با استفاده از پراش سنج اشعه - X مدل - Philips X'pert PROMRD با تابش CuK با طول موج =0/1542nm انجام گرفت. - a -

شکل 1 تصاویر SEM مربوط به نانوساختارهاي mZnOساخته شده1 با روش DC اسپاترینگ. - a - تصویر مورب 30o SEM از نمونه قبل از بازپخت در اکسیژن - b - تصویر SEM نماي بالا قبل از بازپخت نمونه در اکسیژن. چنانچه در این شکل مشخص شده است نانومیلهها داراي سطح مقطع شش وجهی و قطر نوعی حدود 50 تا 150 نانومتر میباشند - c - تصویر SEM مورب 30o بعد از بازپخت در اکسیژن در کوره خلاء در فشار 10 mbar با فلوي 0/2 lit/min به مدت 2ساعت.88 روبش در محدوده 2 بین 20 تا 70، درجه با اندازه گا0/03333 انجام شد. اندازهگیري فوتولومینسانس با استفاده از لامپ زنون - Xe - با طول موج 325 nm به منظور تحریک فوتولومینسانس نمونه انجام گرفت. طیف نمونه با استفاده از یک دوربین CCD و اسپکترومتر مرئی-UV ثبت شد.

نتایج و بحث

شکل 1 تصاویر SEM از نانوساختارهاي ZnO ساخته شده با روش DC اسپاترینگ را نشان میدهد. شکل a-1 تصویرSEM از این نانوساختارها را تحت زاویه مورب 30 درجهاي نگه دارنده نمونه نسبت به صفحه عمودي که باریکه الکترونی SEMتحت آن روي سطح نمونه فرود میآیند را نشان میدهد. چنانچه در این تصویر مشخص است نانوساختارهاي ZnO به شکل هندسی شش وجهی روي سطح زیرلایه رشد کردهاند. در این روش چون ذرات اسپاتر شده داراي انرژي زیادي هستند، نانومیله هاي ساخته شده کاملا به هم چسبیده و فضاي خالی بین نانومیلهها بسیار کم است. به هرحال وجود نانوساختارهاي شش وجهی روي سطح - شکل - a -1 در قسمتهایی از سطح نمونه مشخص است.هرچند رشد نانومیلههایی با فاصله جدایی بیشتر، از طریق روشهاي متداول بخار- مایع- جامد - - VLS یا جامد – بخار - 9] - VS، [10 معمول است، ولی رشد اپیتاکسیال منظم عمودي همیشه برآورده نمیشود.

در این روشها کنترل فشار بخار Zn وفلوي گاز پارامترهاي تعیین کننده هستند که برآوردن آنها بسیار مشکل است. شکل b -1 تصویر SEM نماي بالایی این نمونه را با بزرگنمایی بیشتر نشان میدهد. این تصویر به طور واضح ساختارهاي شش وجهی را تایید میکند. در این شکل میتوان اندازه قطر نانومیلهها را به طور متوسط بین 50 تا 150 نانومتر مشاهده کرد. شکل c - 1 تصویر SEM نمونه را بعد از عملیات حرارتی در کوره تحت خلاء با فلوي 0/1 lit.min-1 گاز اکسیژن به مدت 2 ساعت در فشار 10 mbar نشان میدهد. چنانچه از این تصویر مشخص است بعد از عملیات حرارتی ساختارهاي شش وجهی تغییر شکل مییابند و نمونه بیشتر به شکل لایه نازك غیریکنواخت که روي سطح آن ذرات و بلورهاي نانو ساختاري شکل یافته اند ظاهر میشود.شکل 2 طیف XRD نمونه را بعد از عملیات حرارتی نشان میدهد. چنانچه از طیف XRD مشخص است نمونه داراي ساختار بلوري است.

پیک هاي اصلی در صفحات بلوري - 100 - ، - 002 - و - 101 - براي ZnO مشخص شدند. در این طیف پیکهاي ضعیف و صفحات بلوري - 100 - و - 101 - مربوط به Zn نیز مشاهده شدند و همچنین پیکهاي مربوط به صفحات بلوري - 101 - و - 103 - ساختار ZnO وجود دارند.با استفاده از فرمول دباي- شرر اندازه دانه بلوري را بر حسب پهناي قله پراکندگی پرتو X در نیمه ارتفاع و سایر شرایطپراکندگی میتوان به دست آورد.  رابطه دباي-شرر به    صورتD 0/9 B cos است، که D اندازه دانه بلوري،     طولموج پرتو X ، B  پهناي بلندترین قله در نصف ارتفاع و  زاویه پراکندگی میباشد. اندازه دانه در نانو ساختارهاي ساخته شده با روش DC اسپاترینگ با استفاده از بلندترین قله که مربوط به صفحه بلوري ZnO - 100 - در زاویه 15/586 است برابر با nm

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید