بخشی از مقاله
چکیده -
زدایش شیمیایی بهکمک فلز سیلیکون در یک محلول آبی هیدروفلوریک اسید و آب اکسیژنه برای ساخت سیلیکون متخلخل انجام شد. در این مطالعه، نانوذرات طلا به عنوان کاتالیزور در نظر گرفتهشد و تاثیر کاتالیزور با شرایط مختلف زدایش بر روی خواص اپتیکی سیلیکون متخلخل ساختهشده مورد بررسی قرار گرفت. مورفولوژی نانوساختار ایجاد شده سیلیکونی بهوسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی تابش میدانی - - FESEM مشخصهیابی شد. نشان داده میشود که مورفولوژی نانوساختار سیلیکونی ایجاد شده بهطور قابل ملاحظهای به ضخامت لایه کاتالیزور بستگی دارد و زمان زدایش مستقیماً بر خواص اپتیکی و ساختاری سیلیکون متخلخل ایجاد شده تاثیر میگذارد. عمق تخلخل نسبت به زمان زدایش افزایش مییابد. ایجاد تخلخل در سیلیکون باعث ایجاد پیک فوتولومینسانس در محدوده نور مرئی میشود. ساختارهای ایجاد شده کاندیدای امیدبخشی برای تولید افزارههای اپتوالکترونیکی با ابعاد نانومتری هستند.
کلید واژه- خواص اپتیکی، زدایش به کمک فلز، سیلیکون متخلخل، کاتالیزور طلا
-1 مقدمه
نانوساختارهای نیمههادی بهدلیل خواص ساختاری، اپتیکی، الکترونیکی، مکانیکی و حرارتی منحصر به فرد آنها در دهه-های گذشته توجه قابل ملاحظه ای را به خود جلب کردهاند. چون سیلیکون بهعنوان یک ماده نیمههادی فراوان و غیر-سمی کاربردهای گستردهای یافته است، بهنظر میرسد سیلیکون متخلخل کاندیدای مناسبی برای توسعه تکنولوژی نیمههادی باشد. در پژوهشهای اخیر استفاده کاربردی از این نانوساختارها در صنایع انرژی، دارویی و اپتوالکترونیک بهطور قابل توجهی پررنگ شده است. برای سنتز سیلیکون متخلخل روشهای زیادی وجود دارد. در سالهای اخیر روش زدایش شیمیایی بهکمک فلز - - MACE بهدلیل مزایای قابل توجه آن همچون هزینه کم و سادگی ساخت نواحی سطح بزرگ و امکان کنترل پارامترهای گوناگون از جمله شکل سطح مقطع، عمق و قطر تخلخل، بسیار مورد توجه بوده است.
این روش مراحل زیر را شامل می شود. در ابتدا یک فلز نجیب مانند طلا، نقره یا پلاتین به صورت نانوذرات یا یک لایه نازک روی یک سطح سیلیکونی نشانده میشود. کاتالیزور فلزی می تواند توسط روش تبخیر - - evaporation، اسپین کوتینگ یا اسپاترینگ لایه نشانی شود یا در محلول شامل هیدروفلوریک اسید و نمکهای فلز خاصی تشکیل شود. در مرحله دوم نمونه های سیلیکون پوشدهشده با فلز در یک محلول زدایش شامل هیدروفلوریک اسید و یک عامل اکسید کننده، عمدتا آب اکسیژنه - - H2O2، غوطهور میشوند. در طول پروسه زدایش، سیلیکون زیر فلز نجیب سریعتر از سیلیکون بدون پوشش فلز نجیب زدوده میشود. در نتیجه فلز در بستر فرو میرود و حفره یا وایر ایجاد میشود. عوامل زیادی از جمله ویژگی های ذاتی بستر، غلظت زداینده، زمان و دمای زدایشبر مورفولوژی سطح تاًثیر میگذارد. جزئیات هندسی ساختار تشکیلشده عمدتاً به مورفولوژی اولیه پوشش فلز نجیب - ضخامت، نوع و ... - و فاصله بین کاتالیزور فلزی وابسته است. نانوذراتِفلزِ جدا از هم، حفره های ایزوله ای ایجاد میکنند در حالیکه بهوسیله ذرات فلز با دانسیته بالا ساختارهای سیم ایزولهای تشکیل میشود. مطالعات کمی بر روی ضخامت، نوع و مورفولوژی فلز نجیب در پروسه ساخت سیلیکون متخلخل انجام شده است .[1]
فوتولومینسانس برای سیلیکون متخلخل در مقایسه با میزان آن برای بستر سیلیکون کریستالی به شدت افزایش مییابد. این اثر میتواند به عنوان افزایشی در شدت برانگیختگی سیلیکون متخلخل به دلیل پراکندگی شدید نور و محلی-سازی جزئی نور در یک محیط اپتیکی ناهمگن تفسیر شود .[2] همراه با فوتولومینسانس داخل باند، فوتولومینسانس سیلیکون متخلخل در ناحیه طیفی 500-700 نانومتر با ماکزیممی در حدود 560 نانومتر مشاهده شد که می تواند با بازترکیب تابشی الکترون- حفرهها در نانوکریستالهای سیلیکونی کوچک در دیوارههای نانوحفرهها بر حسب یک مدل محصورشدگی کوانتومی توضیح داده شود. بنابراین سیلیکون متخلخل ساختهشده پتانسیل استفاده در کاربردهای فوتونیک و فتوولتاییک را دارد.
گاف انرژی در نوار انرژی نانوساختارهای سیلیکونی مستقیم است. علت این موضوع، پدیده محصورشدگی کوانتومی است. در این پدیده با کوچکتر شدن اندازه ذرات و ساختارهایی که ترابرد الکترونی صورت میگیرد، ترازهای انرژی از حالت نوار به ترازهای گسسته و وابسته به اندازه ساختار تغییر میکند و اثرات لبه و مرز در ساختار بهشدت مهم میشود .[3] در این مطالعه، از طلا، برای ساخت سلیکون متخلخل از طریق زدایش شیمیایی بهکمک فلز استفاده شده است. همچنین در زمینه اثرات طلا بهعنوان کاتالیزور فلز نجیب با زمانهای زدایش مختلف روی مورفولوژی، ساختار و خواص فوتولومینسانس - PL - ساختار مطالعاتی انجام شده است.
-2 روش آزمایش
سیلیکون متخلخل بهوسیله زدایش شیمیایی بهکمک فلز ویفرهای سیلیکون نوع p با جهت کریستالی - - 100 با مقاومت ویژه 1-10 اهم سانتیمتر انجام میشود. این پروسه سنتز چهار مرحله را شامل میشود: - - 1 برای تمیزکاری ویفرها از روش - RCA نسبت حجمی : NH3 = 5:1:1 - H2O :H2O2 استفاده شد. به این ترتیب که آب DI را تا 80 درجه سیلسیوس گرم میکنیم و سپس محلولهای NH3 و H2O2 را به آن اضافه میکنیم. محلول به دست آمده را روی ویفرها میریزیم. ویفرها 1 ساعت در محلول میمانند و سپس با آب DI شسته و خشک میکنیم - 2 - . [4] لایه نازکی از محلول نانوذرات طلای سنتز شده را روی ویفر سیلیکون قرار داده و در دمای 80 درجه در آون خشک می-کنیم. سپس لایه دیگری روی لایه قبلی قرار داده به همان ترتیب خشک میکنیم - 3 - .[5] ویفرهای سیلیکون پوشیده-شده با فلز طلا داخل محلول زدایش شامل HF:H2O2:H2O به نسبتهای - 2:1:8 - و - 3:1:5 - و برای زمانهای زدایش مختلف 45 و 90 دقیقه در یک ظرف پلاستیکی قرار داده میشوند. 4 - - ویفرها مجدداً با آب شسته و خشک میشوند. مشخصهیابی ساختار متخلخل با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی تابش میدانی - - FESEM انجام میشود. مشخصهیابی اپتیکی از طریق اندازهگیری فوتولومینسانس انجام شد. طیف بازتابی نمونهها با استفاده از اسپکتروفتومتر UV-visible اندازهگیری شد.
-3 نتایج
شکل 2 تصاویر FESEM مربوط به ساختارهای سیلیکون متخلخل را نشان میدهد. شکل 2 - a - مربوط به سیلیکون زدودهشده در محلول زدایش شامل HF:H2O2:H2O به-نسبت 2:1:8 با زمان زدایش 45 دقیقه، شکل 2 - b - مربوط به سیلیکون زدودهشده در محلول زدایش شامل HF:H2O2:H2O بهنسبت 2:1:8 با زمان زدایش 90 دقیقه، شکل 2 - c - مربوط به سیلیکون زدودهشده در محلول زدایش شامل HF:H2O2:H2O بهنسبت 3:1:5 با زمان زدایش 45 دقیقه، شکل 2 - d - مربوط به سیلیکون زدودهشده در محلول زدایش شامل HF:H2O2:H2O بهنسبت 3:1:5 با زمان زدایش 90 دقیقه است.
شکل .2 تصویر FESEM از ساختارهای سیلیکون زدودهشده با محلول زدایش شامل HF:H2O2:H2O بهنسبت - a - و 2:1 :8 - b - و زمان زدایش به ترتیب 45و 90 دقیقه و - c - و 3:1 : 5 - d - و زمان زدایش بهترتیب 45 و 90 دقیقه.
شکل 3 طیف فوتولومینسانس نانوساختارهای سیلیکونی متخلخل بهدست آمده از طریق زدایش بهکمک طلا را برای ساختارهای مختلفِ مورد بررسی روی طول موج های -700 500 نانومتر نشان میدهد. نمودار آبی روشن مربوط به شکل 2 - d - ، نمودار بنفش مربوط به شکل 2 - c - ، نمودار قرمز مربوط به شکل 2 - b - و نمودار سرمه ای مربوط به شکل 2 - a - است. همانطور که مشاهده میشود برای نمونههای 2 - a - و 2 - c - پیکی در نمودار فوتولومینسانس وجود ندارد. با افزایش زمان زدایش و درنتیجه افزایش عمق زدایش پیکی در ناحیه طیفی 500-700 نانومتر با ماکزیممی در حدود 560 نانومتر مشاهده میشود که برای نمونه 2 - d - بیشتر از نمونه 2 - b - میباشد. درواقع همراه با فوتولومینسانس داخل باند - در طولموجهای کمتر از 400 نانومتر که در نمودار نمایش داده نشده است. - ، فوتولومینسانس سیلیکون متخلخل نیز مشاهده میشود.
