بخشی از مقاله
چکیده
از کندوپاش مگنترونی RF و DC برای نهشت به ترتیب فیلم نازک ZnO - 100 nm - بر روی لایه Cu با استفاده از هدفهای خالص ZnO و Cu استفاده شده است. این کار روی اثر ضخامت لایه مس بر روی ویژگیهای اپتیکی، ساختاری و تشدید پلاسمونی در پیوند نامتجانس Cu/ZnO با استفاده از طیف جذبی و پراش پرتو - XRD - X تمرکز کرده است. تشکیل ساختار هگزاگونال ورتزایت ZnO بر روی نانو ذرات Cu باعث ایجاد پلاسمون های مس، افزایش جذب نور در ناحیه مرئی و جابجایی انرژی گاف نواری ZnO میشود، مشخصه جریان-ولتاژ پیوند نامتجانس ZnO/CuO رفتار دیودی - پیوند - p-n از خود نشان میدهد.
-1 مقدمه
اکسیدهای فلزی نامزد مناسبی برای کاربردهای بالقوه در دستگاههای الکترونیکی و اپتوالکترونیکی هستند. یکی از ویژگیهای اکسیدهای فلزی نسبت به سیلیکون معمولی این است که آنها انرژی گاف نواری نوری بالایی در محدوده 3-7 eV دارند. در میان اکسیدهای نیمرسانای موجود، اکسید مس و اکسید روی به علت ویژگیهای الکتریکی، ساختاری و اپتیکی قابل تنظیم و امکان رشد با روشهای متنوع، ساده، مقرون بهصرفه و مقیاس پذیر از قبیل هیدروترمال، تبخیر، اکسایش حرارتی، کندوپاش RF, DC توجه ویژهای به خود جلب کردهاند .[1]
پژوهش بر روی ساختار نامتجانس نیمرساناها از اهمیت ویژهای در علم مواد و فیزیک نیمرسانا برخوردار است. فیلمهای نازک اکسید رسانای شفاف با شفافیت اپتیکی و رسانندگی الکتریکی بالا بهطور گستردهای مورد مطالعه قرارگرفتهاند. در این میان اکسید مس بهعنوان یک لایه جاذب ذاتی نوع p و گاف نواری پهن اکسید روی بهعنوان لایه نوع n در ساختار نامتجانس بکار میرود که شفافیت بالاتری برای تابش فراهم میکند و در قطعات فوتوولتائیک، سلولهای خورشیدی و... استفاده میشود .[2]
اکسید روی یک نیمرسانای شفاف با ساختار هگزاگونال ورتزایت، گاف نواری پهن و مستقیم 3/37 eV، انرژی بستگی اکسایتون بزرگ meV 60 در دمای اتاق و ذاتی نوع n، به علت تهیجای اکسیژن و Zn درونشبکهای است. اکسید روی کاربردهای گستردهای در دستگاههای الکترونیکی و اپتوالکترونیکی مانند حسگرهای پیزوالکتریک، دیودهای نوری، آشکارسازهای UV، سلولهای خورشیدی هیبریدی و... دارد. از دیگر ویژگیهای اکسید روی میتوان به فراوانی، ارزان بودن، آمادهسازی آسان، غیر سمی بودن و امکان رشد در نانو ساختارهای متنوع ازجمله نانوسیم، نانومیله، نانوتسمه و نانولوله اشاره کرد.
بسته به پارامترهای پردازش در طول نهشت، اکسید مس میتواند در دو فاز کریستالی با رسانایی ذاتی نوع p وجود داشته باشد; Cu2O، ساختار مکعبی با گاف نواری مستقیم در محدوده 2/1-2/6 eV و CuO ، ساختار تنوریت مونوکلینیک با گاف نواری مستقیم در محدوده eV .1/3-2/1 از ویژگیهای این اکسیدها میتوان به فراوانی درروی زمین، ارزانی، غیر سمی بودن، طول نفوذ حاملهای اقلیت بالا و ضریب جذب بالا در ناحیه مرئی اشاره کرد. از دو فاز برجسته اکسید مس، CuO به دلیل ضریب جذب بالاتر در ناحیه مرئیعمدتاً در کاربردهای فوتوولتائیک، سلولهای خورشیدی، حسگرهای گازی و بهعنوان الکترود منفی در باتریهای لیتیوم یونی استفاده میشود .[4,1]
له و همکاران در سال 2016 مشخصه یابی اپتیکی تجربی و محاسباتی از تشدید پلاسمونی نانوذرات مس نهاده شده در ZnO بهوسیله کاشت یونی و عملیات حرارتی انجام دادند. آنها مشاهده کردند کاشت یونی با شار فرودی بالای - 1016 ions/cm2 - و عملیات حرارتی در دمای بالای 600 درجه سلسیوس امکان خوشهای شدن مس را فراهم میکند که تحریک مدهای سطحی - تشدید فانو - مقدور میگردد .[5] لی و همکاران در سال 2014 ساختار ZnO/Cu2O را بهوسیله اکسایش گرمایی بر روی بستر FTO رشد دادند و به بررسی مشخصه های فوتوولتایی آن پرداختند. آنها مشاهده کردند در صورت وارد کردن نانومیلههای ZnO در فصل مشترک پیوند ZnO/Cu2O کارایی در حدود 20 برابر افزایش مییابد .[6]
چنگ و همکاران در سال 2013 ساختار نامتجانس Cu2O/ZnO را بهوسیله الکترونهشت Cu2O در الگوی کاواکی ZnO رشد دادند و تأثیر شرایط فصل مشترک پیوند p-Cu2O/n-ZnO در جمعآوری مؤثر بار در سلول خورشیدی متناظر را بررسی کردند و منحنی J-V اندازهگیری شد .[7] کیانگ و همکاران در سال 2012 پیوند Cu/ZnO را بهوسیله برآرایی باریکه مولکولی - MBE - رشد دادند سپس در دماهای مختلف - بیشتر از 300 درجه سلسیوس - در محیط اکسیژنی اکسایش کردند و به بررسی کیفیت بلوری و میکروساختاری پیوند Cu2O/ZnO جهت کاربردهای فناوری پرداختند .[8]
پنا-رودریگز و همکاران در سال 2011 اثر اکسایش سطحی بر روی ویژگیهای اپتیکی نانوذرات مس را بررسی کردند. از آنجاییکه کاربرد نانوذرات مس به دلیل ضعف آنها در برابر اکسایش محیطی محدود میشود، آنها را بهوسیله پوششهای اکسیدی میپوشانند. آنها مشاهده کردند با تغییر ضخامت لایه اکسید میتوان موقعیت تشدید پلاسمون سطحی - SPR - را تنظیم و شدت - SPR - را افزایش داد.[9 ]
-2 روش انجام آزمایش
ابتدا زیرلایه کوارتز را با حلالهای شیمیایی تری کلرواتیلن، اتانول، استون و آب دیونیزه هر کدام به مدت 10 دقیقه در حمام فراصوتی شست و شو داده و پس از خشک کردن در اسپاترینگ قرار می دهیم. لایه Cu را با ضخامتهای مختلف با استفاده از کندوپاش مگنترونی DC با ولتاژ 300 ولت و فشار 8 پاسکال در دمای اتاق و محیط گاز آرگون بر روی زیرلایه کوارتز نهشت میکنیم. سپس با استفاده از کندوپاش مگنترونی RF با توان 70 وات و فشار 8 پاسکال، 100 نانومتر هدف ZnO را بر روی نانو فیلم Cu می نشانیم. پس از عملیات لایه نشانی، پیوند Cu/ZnO در دمای 400 درجه سلسیوس در شرایط محیطی بازپخت میشود.
-3 نتایج و بحث
شکل - 1 - الگوی پراش پرتو X از پیوند نامتجانس ZnO/Cu - 50 nm - و Cu - 10 nm - /ZnO در دمای بازپخت 400 درجه سلسیوس است. قله شدید در الگوی XRD به وضوح شکلگیری ساختار هگزاگونال ورتزایت ZnO را نشان میدهد. مشاهده میشود که عملیات حرارتی بر روی لایه Cu در اتمسفر محیطی سبب اکسایش آن و تشکیل فاز CuOx میگردد. مشخصه J-V دیود مانند، تشکیل پیوند نامتجانس p-n را در فصل مشترک فیلم نازک ZnO و CuO تائید میکند و همچنین با رسانندگی نوع n اکسید روی و نوع p اکسید مس سازگار است. در بایاس مستقیم تحت نور سفید، جریان، افزایش قابل ملاحظه و چشمگیری دارد از این رو پیوند نامتجانس ZnO/CuO بسیار حساس به نور میباشد و جریان فوتوالکترونی امکان استفاده از این پیوند را در آشکارساز نوری فراهم میکند. بهعلاوه ولتاژ آستانه در معرض تابش از 0/7 ولت به 0/4 ولت کاهش مییابد.
