بخشی از مقاله
چکیده
نقاط کوانتومی سیلیکینی در سالیان اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند که از دلایل آن می توان به غیر سمیت آن ها در مقایسه با نقاط کوانتومی مرسوم حاوی فلزات سنگین و کاربردهای وسیع آن ها در ساختارهایی نظیر سلول های خورشیدی، دیودهای نورگسیل مبتنی بر نقاط کوانتومی و حسگرهای زیستی اشاره کرد. در این مقاله لایه نازکی از نقاط کوانتومی سیلیکنی در بستری از سیلیکا بر روی زیرلایه ای از جنس کوارتز ساخته شده و خواص نورافشانی آنها مورد مطالعه قرار گرفته است.
نقاط کوانتومی ساخته شده دارای ابعادی کمتر از 5nm بوده و یکنواختی خوبی از نظر توزیع اندازه را نشان می دهند. برای لایه های نازک حاوی نقاط کوانتومی ساخته شده، بررسی طیف جذب و هم چنین طیف فلوئورسانس با تحریک در طول موج های مختلف انجام گرفته است و تاثیر زمان گرمادهی و میزان خلا بر روی طیف جذب و نشر مورد ارزیابی قرار گرفته است. طیف جذبنقاط کوانتومی ساخته شده نسبتاً پهن حول طول موج 230nm بوده و طیف نشر آن ها نیز، تیز و حول طول موج 435nm مشاهده شده است. با افزایش زمان گرمادهی، طیف نشر تیزتر شده و شدت نورافشانی نیز افزایش می یابد.
مقدمه
نقاط کوانتومی، بلورهایی در ابعاد نانومتری و عموما کمتر از 10nm هستند که به دلیل حبس کوانتومی حامل های بار، خواص مختلفی را از خود نشان می دهند. تا کنون ساخت و بررسی خواص نقاط کوانتومی مختلفی در مقالات متعددی گزارش شده است. از مرسوم ترین آن ها می توان به نقاط کوانتومی ساخته شده از CdTe، CdS، CdSe و یا PbS و PbSe اشاره کرد 2]و.[1 یکی از مشکلات این نقاط کوانتومی، استفاده از فلزات سنگین نظیر کادمیوم و سرب در ساختار آن ها است که سمی بوده و استفاده از آن ها را محدود می کند.
نقاط کوانتومی مبتنی بر سیلیکن در سالیان اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. دلایل این امر را می توان غیرسمیت سیلیکن و امکان استفاده از آن در حسگرهای زیستی، سازگاری آن با فناوری ساخت CMOS و امکان تولید با فرآیندهای نسبتا ساده را برشمرد. در سالیان اخیر نقاط کوانتومی سیلیکنی برای انواع ادوات الکترونیک نوری، نظیر سلول های خورشیدی مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته اند .[3] وابستگی طیف جذب این نقاط کوانتومی به اندازه آن ها و امکان تنظیم آن برای جذب حداکثری نور خورشید از دلایل این توجه به نقاط کوانتومی سیلیکنی در سلول های خورشیدی است.
یکی دیگر از کاربردهای جذاب این نقاط کوانتومی در دیودهای نورگسیل است 5]و.[4 علی رغم اینکه سیلیکن یک نیمه هادی غیرمستقیم است و در حالت کپه ای خود، بازترکیب الکترون ها و حفره ها به تولید فوتون در آن منجر نمی شود، اما با ساخت نقاط کوانتومی و به دلیل اثر حبس کوانتومی، امکان گسیل نور از آن به وجود می آید و بهره کوانتومی نورافشانی بسیار بالا و تا %70 نیز گزارش شده است. بار دیگر به دلیل تنظیم پذیری طول موج نشر نقاط کوانتومی با اندازه این نانوذرات، دیودهای نورگسیلی با طیف نشر دلخواه با این ساختارهای قابل تحقق هستند. از دیگر کاربردهای نقاط کوانتومی سیلیکنی می توان به حسگرهای بیولوژیکی اشاره کرد.
هم چنین با استفاده از نقاط کوانتومی سیلیکنی بر روی میکروکره های سیلیکا نیز می توان حسگرهای ضریب شکست بسیار دقیقی طراحی نمود. تا کنون روش های مختلفی برای ساخت نقاط کوانتومی سیلیکنی ارائه شده است. در حالت کلی، نقاط کوانتومی سیلیکنی به دو صورت کلوئیدی و مدفون - در درون یک ماتریس یا ماده زمینه - می توانند وجود داشته باشند. نقاط کوانتومی سیلیکنی کلوئیدی، در واقع نانوبلورهای خودایستایی هستند که عموما در داخل یک محلول یا مایع وجود دارند و از آن ها در حسگرهای بیولوژیکی استفاده می شود.
اما نقاط کوانتومی مدفون، نقاط کوانتومی هستند که در یک لایه نازک از جنس ماده ای دیگر حبس شده اند و برای کاربردهای سلول های خورشیدی و دیودهای نورگسیل مورد استفاده قرار می گیرند. برای ساخت نقاط کوانتومی سیلیکنی کلوئیدی، روش های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. محبوب ترین روش، قرار دادن سیلیکن متخلل در مخلوطی از هیدروفلوریک اسید و آب در حضور امواج فراصوت است که به تولید سوسپانسیونی حاوی نانوبلورهای سیلیکنی منجر می شود .[6] برای ساخت نقاط کوانتومی مدفون در سیلیکا روش های مختلفی نظیر PECVD، Magnetron sputtering و تبخیر حرارتی یا با کمک پرتو الکترونی پیشنهاد شده است .[7]
روش ساخت و تعیین مشخصات
نقاط کوانتومی سیلیکنی در این مقاله، با روش تبخیر حرارتی در خلا ساخته شده اند. در این روش، مونواکسید سیلیکن - SiO - توسط بوته ای از جنس مولیبدن، درون یک محفظه خلا بالا قرار گرفته و با عبور جریان بالا از بوته، مونواکسید سیلیکن تبخیر شده و بر روی زیرلایه ای از جنس کوارتز که درون محفظه خلا قرار گرفته است، نشانده می شود. ضخامت لایه توسط سیستم میکروبالانس کریستال کوارتز اندازه گیری می شود. در این مقاله، لایه نشانی در خلا بسیار بالا - <5x10-5mbar - انجام شده است. حاصل این مرحله، لایه ای از جنس SiOx است که میزان x بین 1 تا 1/9 را می توان توسط تزریق گاز اکسیژن مدیریت کرد. تزریق گاز اکسیژن از طریق فلومترهای بسیار حساس موسم به فلومترهای جرمی انجام می گیرد.
در این مقاله، بدون تزریق گاز اکسیژن، لایه نشانی انجام شده است و در نتیجه بر روی زیرلایه ای از جنس کوارتز، لایه ای به ضخامت 200nm از جنس SiO تشکیل شده است. در این مرحله زیرلایه را درون یک کوره خلا تیوبی قرار می دهیم. ابتدا توسط پمپ های گردشی و توربومولکولی، خلا کوره را به کمتر از 5x10-5mbar می رسانیم و سپس طی یک پروسه گرمادهی، آرام آرام دمای کوره را به مقادیر دلخواه افزایش می دهیم. دمای مدنظر در این مقاله، 900 درجه سانتی گراد است و زمان گرمادهی در این دما از 1 تا 3 ساعت متغیر است.
در طی این مرحله، لایه SiO به صورت ترکیبی از نقاط کوانتومی سیلیکن در زمینه ای از جنس سیلیکا - SiO2 - تغییر می یابد. سپس اجازه می دهیم تا دمای کوره به صورت تدریجی کاهش یابد و تا رسیدن دما به کمتر از 150 درجه سانتی گراد، هم چنان خلا را حفظ می کنیم تا مانع از ورود اکسیژن به محفظه و ترکیب آن با سیلیکن و در نتیجه تبدیل نقاط کوانتومی سیلیکنی به سیلیکا - SiO2 - شویم. کل فرآیند خلا سازی و گرمادهی و خنک سازی کوره، تقریبا 24 ساعت طول می کشد. پس از این مراحل، زیرلایه ها را خارج کرده و تحت آنالیز قرار می دهیم.
طیف جذب نقاط کوانتومی ساخته شده و هم چنین طیف نشر آن توسط دستگاه UV-VIS-spectrometer و دستگاه فلوئورسانس اندازه گیری شده است. در بخش بعد، طیف جذب و نشر نقاط کوانتومی ساخته شده و تاثیر زمان گرمادهی در خلا و هم چنین میزان خلا بر روی این مشخصات مورد ارزیابی قرار می گیرد. به دلیل عدم دسترسی به میکروسکوپ TEM، تعیین اندازه دقیق نقاط کوانتومی با مشاهده امکان پذیر نبود. به همین دلیل، با استفاده از طیف فلوئورسانس این نقاط کوانتومی و با استفاده از یک مدل ریاضی ساده شده، اندازه تقریبی نقاط کوانتومی ساخته شده، محاسبه می شود.
نتایج
شکل 1 منحنی جذب بر حسب طول موج را در نقاط کوانتومی ساخته شده با گرمادهی به مدت 3 ساعت در دمای 900 درجه سانتی گراد در خلا را نشان می دهد. شکل :1 منحنی جذب نقاط کوانتومی سیلیکنی ساخته شده. گرمادهی به مدت 3 ساعت در دمای 900 درجه سانتی گراد در محیط خلا انجام شده است. همان طور که از شکل 1 مشخص است، پیک جذب در طول موج 230nm اتفاق می افتد و میزان جذب هم در طول موج های بلند و هم در طول موج های کوتاه کاهش می یابد که مشخصه اصلی جذب نقاط کوانتومی است. طول موج 230nm، متناظر با انرژی لازم برای برانگیزش نقطه کوانتومی به حالت بالاتر خود است.
برای بررسی بیشتر، از این نمونه در دو طول موج تحریک 270nm و 300nm، طیف فلوئورسانس گرفته شده است که نتایج آن در شکل 2 آمده است. شکل :2 طیف نشر نقاط کوانتومی گرمادیده در خلا به مدت 3 ساعت و در دمای 900 درجه سانتی گراد، با تحریک در طول موج های 270nm و .300nm همان گونه که از شکل 2 مشخص است، با تحریک در طول موج 270nm، نشری نسبتا قوی و تیز را در طول موج 435nm شاهد هستیم.
با افزایش طول موج تحریک به 300nm، نمونه مورد نظر تقریبا نشری از خود نشان نمی دهد . این موضوع به دلیل کاهش شدید جذب در طول موج 300nm است. پیک دیگری در حوالی طول موج 380nm نیز در طیف نشر مشاهده می شود که غیرمعمول است. این پیک می تواند به دلیل وجود نقاط کوانتومی با اندازه متفاوت در ساختار باشد. در شکل 3 ، طیف نشر نقاط کوانتومی با گرمادهی به مدت 1و 3 ساعت در دمای 900 درجه سانتی گراد آورده شده است. مشخص است که شدت نشر در طول موج حوالی 380nm با افزایش زمان گرمادهی کمتر شده است و در واقع منحنی نشر در طول موج 435nm تیزتر شده است که به دلیل کریستالیزاسیون بیشتر نقاط کوانتومی سیلیکنی است.
