بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ساخت لایه هاي نازك WO3-x و خواص نوري، ساختاري و سطحی این لایه ها مورد بررسی و مطالعه قرار میگیرد. در ابتدا لایه هاي نازك WO3 به ضخامت 200 nm به روش تبخیر حرارتی در خلاء روي زیر لایه هاي لام شیشه اي رشد داده شدند. بعد از عملیات رشد، نمونه ها در هوا به مدت یک ساعت در دماي 300oC پخت و سپس در محیط هیدروژن خاالص در دماي 400oC به مدت زمان هاي متفاوت از صفر تا 480 دقیقه احیاء گردیدند تا ترکیب WO3-x تشکیل گردد.
نمونه هاي مختلف پخت شده در زمان هاي متفاوت در محیط هیدروژن توسط آنالیز هاي مختلفی از قبیل XRD، طیف سنجی نور مرئی و ماواري بنفش و AFM مورد مطالعه قرار گرفتند. طیف هاي XRD نشان داد که نمونهها قبل از احیاء هیچ ساختار بلوري WO3-x ندارند اما بعد از احیاء ساختار WO2.8 تشکیل میگردد. با افزایش زمان احیاء شدت بلوري شدن ساختار WO2.8 افزایش مییابد. اندازهگیري عبور و بازتاب نمونهها در طول موجهاي 500 و 1100 nm نشان داد که نمونهها قبل از احیاء شفاف هستند ولی بعد از احیاء تیره میگردند و بازتاب در محدودة مادون قرمز افزایش مییابد.
مقدمه
در میان طیف وسیعی از اکسیدهاي فلزي، اکسید فلزات واسطه در علوم شیمی، فیزیک و مواد در دهههاي اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است که از آن جمله میتوان به خواص الکتروکرمیک [1]، گازکرمیک و خواص مغناطیسی [2] آنها اشاره کرد. اخیراً طیف گستردهاي از نانومواد مانند نانو سیم ها، نانومیله ها و نانولولهها و نانوسوزنها از اکسیدهاي فلزي ساخته شدهاند
4]،.[3 اکسید تنگستن نیمه رساناي نوع n، با گاف نواري غیر مستقیم و انرژي گاف 2/6-2/8 و با خواص جالب به عنوان ماده حساس شناخته شده است که نانوساختارهاي لایه نازك آن از حساسیت بالاتري نسبت به توده آن برخوردار است.
لایه نازك اکسید تنگستن بسیار توجه دانشمندان را به خود جلب کردهاست، زیرا داراي خواص کاربردي فوتوالکتروکرمیک در شیشههاي هوشمند، حسگرهاي گازي و فوتوکاتالیستی می باشد .[8-5 ] خواص اپتیکی لایه هاي نازك اکسید تنگستن به شدت وابسته به استوکیومتري لایه می باشد، زیرا اگر اکسید تنگستن کمی اکسیژن از دست بدهد مقدار عبور آن به شدت کم می شود .[7] در این تحقیق، چگونگی ساخت لایه هاي نازك WOx روي زیر لایه هایی از جنس لام آزمایشگاهی به روش تبخیر حرارتی گزارش خواهد شد. خواص فیزیکی و شیمیایی نمونه هاي ساخته شده با استفاده از تکنیک هاي اندازه گیري طیف سنج نور مرئی – ماوراءبنفش ، پراش پرتو - XRD - X و میکروسکوپ نیروي اتمی - AFM - شناسایی و مشخصه یابی خواهند شد.
جزئیات روش آزمایش
لایه هاي نازك WO3 به ضخامت 200 nm به روش تبخیر حرارتی روي زیر لایه هایی از جنس لام آزمایشگاهی لایه نشانی شدند. براي این کار از پودر WO3 با خلوص بالا استفاده شد. براي تبخیر پودر WO3، آن را بصورت قرصی به قطر 12 mmو ضخامت 3 mm با قالب مخصوص پرس گردید. قبل از انجام لایه نشانی، زیر لایه ها توسط سود یک مولار و آب مقطر شستشو شدند سپس با نیتروژن خلوص بالا خشک گردیدند. فشار پایه محفظه لایه نشانی حدود 110-5 Torr بود.
در نهایت لایه WO3 با ضخامت200 nm بدست آمد. سپس جهت ایجاد ترکیبات مختلفی از نانو ساختار هاي اکسید تنگستن WOx نمونهها در محیط هیدروژن در دماي 400 درجه سانتیگراد در زمانهاي 0، 15، 30، 60، 120، 240، 480 دقیقه پخت شدند. به منظور بررسی خواص نوري نمونه ها - طیف عبور و بازتاب - در زمان هاي مختلف پخت در محیط هیدروژن، از دستگاه طیف سنج نورمرئی- ماوراي بنفش در بازة 200-1100 نانومتر استفاده شد. ساختار بلوري نمونه ها توسط روش پراش پرتو ایکس XRD مشخص گردید. ساختار سطحی نمونه با استفاده از دستگاه AFM از نوع تماسی با سوزن سیلیکونی مشخص گردید.
نتایج و بحث
شکل 1 طیف XRD از نمونه هاي پخت شده در زمان هاي مختلف در محیط هیدروژن را نشان می دهد. همانطور که در شکل دیده می شود نمونه بدون پخت در هیدروژن - صفر دقیقه - ،
هیچ گونه فاز WO3-x نشان نمی دهد. اما با پخت نمونه به مدت 30 دقیقه، قله هایی مربوط به فاز بلوري WO2.8 ظاهر می شود. با افزایش زمان پخت، این قله ها بلندتر میگردند که نشانگر افزایش فاز WO2.8 می باشد.
تغییرات عبور و بازتاب برحسب زمان پخت در محیط هیدروژن براي طول موجهاي 500 nm - نور مرئی - و 1100 nm - مادون قرمز نزدیک - نشان داده شده است. همانطور که از شکل مشخص است، نمونه بدون احیاء - زمان صفر - داراي عبور و بازتاب به ترتیب حدود 80% و 20% در محدودة نور مرئی و مادون قرمز نزدیک میباشد. این مشخصات با خواص نوري لایه نازك WO3 مطابقت دارد. اما بعد از احیاء نمونه ها در محیط هیدروژن و افزایش زمان احیاء، مقدار عبور نمونه ها در هر دو ناحیه کاهش مییابد به طوریکه بعد از 120 دقیقه مقدار عبور در طول موج 1100 nm به صفر می رسد.
اما روند تغییرات بازتاب بر حسب زمان پخت در محیط هیدروژن، براي ناحیه مرئی و مادون قرمز متفاوت میباشد. با افزایش زمان پخت، بازتاب در طول موج nm 500 کاهش مییابد و بعد از 120 دقیقه به صفر می رسد که نشانگر افزایش جذب نور مرئی توسط لایه میباشد. در حالیکه، با افزایش زمان پخت، بازتاب در طول موج 1100 nm افزایش مییابد و به بیش از 80% بعد از پخت به مدت 480 دقیقه میرسد. این تغییرات نشانگر کاهیده شدن ترکیب شیمیایی WO3 در لایه و تشکیل ترکیب WO3-x میباشد.
پخت شده در محیط هیدروژن بر حسب زمان پخت در شکل 3 نشان داده شده است. این نمودار نشان می دهد که انرژي گاف نمونه بدون پخت در محیط هیدروژن 3/2 eV می باشد که مطابق
WO3 می باشد. با افزایش زمان پخت، مقدار انرژي گاف کاهش می یابد، به طوریکه به حدود 2/75 eV بعد از پخت به مدت 240 دقیقه می رسد. با افزایش زمان پخت، تغییرات انرژي گاف کاهش می یابد و به 2/7 eV می رسد. این روند نشان می دهد که با افزایش دماي پخت، مقدار WO3-x بیشتري تولید می شود، اما در زمان هاي طولانی این مقدار به حد اشباع می رسد و افزایش زمان پخت، تاثیر چندانی روي کاهش انرژي گاف ندارد.
با استفاده از لبه جذب در طیف عبور لایه میتوان مقدار گاف انرژي لایه را حساب کرد. این مقدار براي نمونه هاي تصویر AFM لایه نازك اکسید تنگستن قبل و بعد از پخت در محیط هیدروژن به مدت 120 دقیقه در شکل 4 نشان داده شده است. همانطور که در شکل دیده می شود، نمونه بدون احیاء داراي ساختار مسطح و هموار با زبري متوسط حدود 1 nm و با دانه بندي بسیار کوچک در حدود 35 nm می باشد. اما بعد از فرایند احیاء، سطح لایه زبر می گردد - زبري متوسط - 28 nm = و دانه هاي بزرگی در حدود 350 nm تشکیل می گردد. این فرایند نشانگر تغییر ساختار لایه بعد از فرایند احیاء می باشد که با نتایج قبلی سازگار می باشد.
