بخشی از مقاله
چکیده
فیلمهاي نازك نانوذرات سولفیدروي جایگزیده شده در ماتریس سیلیکا با استفاده از تکنیک غوطهوري روش سل-ژل برروي بسترهاي شیشهاي تهیه شدند. ساختار فیلمها از طریق الگوي پراش پرتوي ایکس براي ضخامتهاي مختلف مورد مطالعه قرار گرفت و قلههاي مربوط به صفحات - 101 - ، - 210 - و - 211 - در ضخامت 280 نانومتر مشاهده شدند که حاکی از ساختار هگزاگونال و پلیکریستالی فیلمها است.میانگین اندازه دانهها 15 نانومتر محاسبه شد که ماهیت نانوکریستالی فیلمها را تایید میکند. در دماي بازپخت ثابت 773 درجه کلوین تراگسیل اپتیکی نمونهها با استفاده از آنالیز UV-Visible براي ضخامتهاي متفاوت بررسی شد. نتایج، کاهش شفافیت با افزایش ضخامت را نشان دادند. ضرایب شکست و خاموشی فیلمها با استفاده از رهیافت کمینهسازي نامقید نقطه گرا محاسبه شد و نتایج با مدل کوشی برازش شد.
مقدمه
ΙΙ-VΙ، مانند نانوذرات CdSe ,CdS ,CdTe ,ZnS جایگزیده در سالهاي اخیر کامپوزیتها به دلیل داشتن کاربردهاي شده در یک سیستم متخلخل به دلیل کاربردشان در ساخت فراوان در قطعات اپتوالکترونیکی توجه زیادي را به خود جلب لیزرهاي نیمهرساناي مریی بسیار مورد توجه قرار گرفتهاست .[1] نموده اند. بویژه، فیلمهاي نازك کامپوزیت نیمهرساناهاي گروه سولفیدروي بدلیل دارا بودن گاف نواري پهن - 3/6 eV - ، ضریب شکست و ضریب ديالکتریک بالا و خواص نیمهاهمیترسانایی، زیادي در کاربردهاي اپتوالکترونیکی بویژه در نمایشگرهاي LED و قطعات نوري دارد. ترکیب ویژگی هاي ذکر شده منجر به استفاده گسترده فیلمهاي نازك ZnS در قطعاتی مانند فوتولومینسانس، الکترولومینسانس، مکانولومینسانس، ترمولومینسانس و به عنوان لایههاي پنجرههاياي نوع n سلول خورشیدي می شود. همچنین بهعنوان یک پوشش فیلم نازك در صنعت میکروالکترونیکی و اپتیکی چون فوتوکاتالیستها، سنسورهاي اپتیکی و ترانزیستورهاي تک الکترونی یافت می شود .[5-2]
علاوه بر این زمانیکه نانوذرات توسط یک ماتریس دي- الکتریک محصور میشوند، محدودیت کوانتومی همراه با ویژگی- هاي اپتیکی بسیار جالب حاصل میشود، همچنین مانع از فروپاشی یا کلوخهاي شدن آنها شده و باعث افزایش پایداري حرارتی و مکانیکی میشود که به نظر میرسد تحقیقاتاز لازم در این جنبه مواد نانو کریستالی کمتر انجام شده است و نیازمند مطالعات بیشتر می باشد .[6] در این کار، از روش سل- ژل بعنوان روشی ارزان و دماي پایین براي تهیه فیلم نازك سیلیکا که میزبان نانوکریستالیتهاي سولفیدروي است استفاده شدهاست. هدف از انجام این تحقیق، بررسی خواص اپتیکینانوذراتوساختاري جایگزیده در یک ماتریس دي الکتریک برحسب افزایش ضخامت در دماي بازپخت ثابت 773 کلوین بوده است.
روش آزمایش
سل مورد نیاز در دو بخش تهیه شد. در بخش اول پیش ماده تترااتیل اورتوسیلیکات در محلول آب مقطر و اتانول به نسبتبه 1 شد 3 حل . اسید هیدروکلریک 1 - نرمال - به عنوان کاتالیزوربه
محلول اضافه شد و به مدت یک ساعت در دماي محیط هم زده شد. در بخش دوم نیترات روي شش آبه به عنوان پیش ماده روي و تیواره به عنوان منبع سولفور در محلول اتانول و آب مقطر به نسبت 2 به 1 حل شد و به مدت یکسپسساعت هم زده شد و تحت هم زدن به سل اول اضافه شد و این فرایند به مدت 1 ساعت ادامه یافت تا سل نهایی براي نهشت فیلم آمادهسلشود.مورد بحث در نسبت مولی 3 شد= تهیه . فیلم هاي نازك روي بسترهاي شیشهاي با استفاده از روش غوطهوري با سرعت 116 میلی متر بر دقیقه نهشته شد. قبل از نهشت، طبقبسترها روش مرسوم با استفاده از استون، اتانول و آب مقطر در حمام آلتراسونیک تمیز شدند. پس از هربار لایهنشانی عملیات خشک سازي در دماي 343 کلوین صورت پذیرفت و براي رسیدن به ضخامت مناسب، لایه نشانی شدچندین بار تکرار . نمونه هاي آماده شده تحت بازپخت دکلویندماي 773 قرار داده شدند.
مطالعات ساختاري
شکل 1 الگوي پراش پرتو ایکس نمونههاي با دو ضخامت مختلف را نشان میدهد. قابل ذکر است که الگوي پراش مربوط به فیلمهاي با ضخامتهاي 90 نانومتر - تک لایهنانومتر - و 150 - هفت لایه - آمورفاستبوده . با افزایش تعداد دفعات لایهنشانی تا پانزده لایه، ساختار کریستالی ورتسایت هگزاگونال سولفیدروي شکل گرفت و بلورینگی فیلمها با افزایش ضخامت بهبود یافت. همانطور که در شکل مشخص است با افزایش ضخامت فیلم نازك، قلههاي متناظر با صفحات - 101 - ، - 210 - و - 211 - مشاهده شدند که نشان می دهد فیلمها پلیکریستالی هستند. میانگین اندازه دانهها با استفاده از رابطه شرر محاسبه شد :[7] کهk ~ 0.89 فاکتور شکل، طولموج پرتوي ایکس،زاویه پراش و پهناي کل در نصف بیشینه قله پراش است. میانگین اندازه دانهها در حدود 15 نانومتر محاسبه شد. علت افزایش اندازه دانهها را می توان به انباشتگی نانوذرات با افزایش ضخامت نسبت داد.
مستقیم مجاز، غیرمستقیم مجاز، م ستقیم ممنوع و غیرمستقیم ممنوع فرض شدهاست. شکل4 تغییرات - h - 2 بر حسب h را براي فیلمهاي نازك ZnS-Si O2 نشا ن میدهد. مقادیر گاف نواري مستقیم Eg بدست آمده از این نمودار، در محدوده 3/9 5-4/03 الکترونولت - برحسب ضخامت فیلم - تغییر کردند که همواره بزرگتر از مقدار آن در حالت کپهاي 3/6 - الکتر ونولت ]می - [6 باشد . این جابجای ی آبی در گاف ، شکل گیري ذرات نانومت ري Z nS در ماتریس سیلیکا و بروز اثر محدودیت کوانتومی را تایید میکند. همچنین کاهش گاف نوار ي با افزایش ضخامت را می ت وان به شکل گیري تر زهاي دنباله ا ي چگالی حالات در لبه جذ ب نسب ت داد.
مطالعات اپتیکی
شکل2 طیفهاي تراگسیل اپتیکی مربوط ه فیلمهاي ناز كکامپ وزیت Zn -SiO2 را برحس ب طولموج نش ان میدهد. نتایج نشان میدهند که تراگسیل فیلم ها در ناحیه مریی با افزایش ضخامت از 90 تا 280 نانومتر، کاهش می یابد. براي بررسی این تغییر ات، ثابتهاي اپ یکی فیلمها با استفاده از رهیافت کمینه سا زي نامقید - PUMA - محاسبه گردی د [8] و با کم ک مدل براز شی کوشی در فیلم هاي نازك برازش گردیدند. همانگ ونه که در شک ل3 دیده میشود، ضری بشکست با افزایش ضخامت ، افزایش مییابد. این رفتار را میتوان به برهمکنش شدید بین لایهها پس از هربار لایهنشانی نسبت داد. درواقع، پس از هربار لایهنشانی حفرهها و شیارهاي میکروسکوپی باقیمانده از لایههاي چگالیده قبلی پر می شون د و در نتیجه بطور مؤثري چگالی پکیدگی بهبود مییابد و سبب افزایش ضریبشکست میشود. همچنین ضریب خامو شی رفتار ي مشابه با ضریب شکست با افزایش ضخ مت لایه ها نش ان میدهد - شکل. - 4 اندازه گاف نواري را میتوان با استفاده از رابطه تاوك بصورت زیر محاسبه کرد 7 ]و:[8
