بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، لایه های نازک شفاف رسانای اکسید روی آلاییده شده با آلومینیوم به روش کندوپاش فرکانس رادیویی مگنترون ساخته و مشخصه یابی شدند. هدف از ساخت این لایه ها، کاهش مقاومت ویژه الکتریکی و افزایش عبور اپتیکی در ناحیه مرئی جهت استفاده به عنوان الکترود شفاف در ادوات اپتوالکتریکی است. برای دستیابی به ساختار مناسب عوامل مختلف از جمله فشار و توان لایه نشانی بر ساختار لایه ها مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان داد که نمونه های لایه ای بر پایه شیشه شفافیتی درحدود 90 درصد در محدوده نور مرئی دارند. از داده های عبور اپتیکی نمونه های آلاییده مقدار گاف انرژی3/25 الکترون-ولت بدست آمد که0/1 الکترون-ولت بیشتر از نمونه های اکسید روی خالص می باشد. با بهینه کردن توان لایه نشانی 100 - وات - و فشار گاز 4×10-2 - تور - درنهایت لایه ای یکنواخت به ضخامت 371±6 نانومتر توسط میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی - - FESEM اندازه گیری شد که دارای مقاومت ویژه به مقدار 4/53×10-3 Ω-cm می باشد. لایه های ساخته شده قابلیت استفاده به عنوان الکترود شفاف در سلول های خورشیدی و دیودهای نوری را دارند.
مقدمه
لایه های اکسید شفاف - TCO - کاربردهای نوری و الکتریکی فراوانی دارد که میتوان به ترانزیستورهای لایهنازک، صفحات کریستال مایع آلی، صفحه نمایشهای تخت اشاره کرد. همچنین، از این لایه ها به دلیل شفاف و رسانا بودن، در ساختمان سلول خورشیدی استفاده میشود. از اینرو، شفافیت و عبور بیشتر در ناحیه مرئی و همچنین، مقاومت کمتر برای این لایه ها مطلوبتر است .[3 -1] اکسید قلع ایندیوم - ITO - یکی از ترکیبات مرسوم TCO است که دارای معایبی ازجمله سمی بودن، پایداری کم و هزینه زیاد است. ترکیبات اکسید روی - ZnO - آلاییدهشده با عناصر گروه III جایگزین مناسبی برای ITO هستند که بهترین آنها ZnO آلاییدهشده با آلومینیوم AZO - یا - ZnO:Al است.
لایه نازک AZO با روشهای مختلف فیزیکی و شیمیایی از قبیل کندوپاش مستقیم و فرکانس رادیویی مگنترون، تبخیر پرتو الکترونی، پلاسمای حرارتی، لایهنشانی بخار شیمیایی - CVD - و سل- ژل لایهنشانی میشود. روش کندوپاش فرکانس رادیویی مگنترون، یک روش فیزیکی مبتنی بر خلا است. از جمله مزیتهای این روش میتوان به تکرارپذیری بالا، ایجاد آلودگی محیطی کمتر و لایهای با کیفیت بلورینگی بالا و یکنواخت را اشاره کرد .[6-4] در این پژوهش، برای لایهنشانی AZO از روش کندوپاش فرکانس رادیویی استفاده شد که اثر دو پارامتر مهم فشار و توان لایهنشانی بر روی خواص ساختاری، نوری و الکتریکی لایه نازک AZO مورد بررسی قرارگرفتهاست. هدف از این پژوهش دستیابی به لایه های شفاف رسانا جهت استفاده در سلول های خورشیدی تمام اکسیدی است.
روش تجربی
لایههای ZnO و AZO بر روی زیرلایههای شیشه soda-lime - SLG - به روش کندوپاش فرکانس رادیویی مگنترون در دمای اتاق لایه-نشانی شدهاند. قرصهای ZnO و ZnO:Al - 2 wt% - و به قطر 5 سانتی-متر بعنوان ماده هدف جهت لایهنشانی استفاده شدهاند. فاصله زیرلایه تا هدف 5 سانتیمتر و فشار زمینه محفظه 1 10-4 تور بوده است. پیش از لایهنشانی، به جهت تمیزشدن ماده هدف، روی زیرلایه پوشانده شده و بمدت 5 دقیقه بر روی ماده هدف کند و پاش انجام شده است.
برای بررسی اثر عوامل فشار و توان لایهنشانی، لایههای AZO در فشارهای -2 4 10، 2 10-2 و 4 10-3 تور تحت آرگون و توانهای 75، 100و 150 وات با ضخامتهای یکسان اندازه گیزی شده با کریستال کوارتز دستگاه، لایهنشانی شدهاند. همچنین، لایه ZnO در فشار 8 10-3 تور و توان 100 وات به جهت بررسی و مقایسه آن با لایههای AZO، لایهنشانی شده- است. بلورینگی و خصوصیات نوری لایههای ZnO و AZO بهترتیب، با استفاده از طیف پراش اشعه ایکس و طیفسنجی نوری بررسی شدهاند. جهت بررسی مورفولوژی سطح لایهها از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM - استفاده شده است. همچنین مقاومت ویژه لایه- ها با استفاده از دستگاه Four-point probe ساخت داخل اندازهگیری شدهاند.
نتایج و بحث
شکل1 طیف پراش اشعه ایکس لایههای ZnO، AZO قبل و بعد از بازپخت در دمای 300 درجه سانتیگراد و بمدت 1ساعت در معرض هوا را نشان میدهد. همانگونه که مشاهده میشود، لایهها دارای جهتگیری ترجیحی در راستای صفحه کریستالی - 002 - هستند. کیفیت بلورینگی لایهها پس از بازپخت بهتر شدهاست. مثلا شدت پیک لایه ی AZO پس از بازپخت افزایش یافتهاست. همچنین، قلههای مربوط به صفحات - 100 - و - 101 - نیز در طیف ZnO پس از بازپخت قابل مشاهدهاست. البته در طیف XRD مربوط به لایه AZO قبل و بعد از بازپخت قلههای مرتبط با Al2O3 قابل مشاهده نیست زیرا میزان آلاییدگی ماده هدف کمتر از 2wt% بودهاست.
گاف نواری برای لایهها، بترتیب برابر با 3/15 و 3/25 الکترون-ولت بدست آمدهاست که با نتایج سایر گزارشات مطابقت دارد و افزایش گاف انرژی در نتیجه آلاییدگی آلومینیوم رخ داده است .[5] برای بررسی اثر پارامترهای فشار و توان، ابتدا نمونه های AZO در فشارهای مختلف 4×10-2 - ، 2×10-2 و - 4×10-3 و در توان یکسان 100 - وات - لایه نشانی شدند. سپس برای بررسی اثر پارامتر توان، بهترین فشار را 4×10-2 - تور - انتخاب نموده و لایه نشانی را در توانهای مختلف 75 - ، 100و 150وات - انجام دادیم. طیف عبور لایههای AZO تهیه شده لایه AZO تهیهشده در فشار 4 10-2 تور و توان 100 وات را نشان در فشارها و توانهای مختلف نشان دهنده ی عبور تقریبا یکسان در میدهد. همانگونه که پیش از این اشاره شد، همه لایهها با ضخامت نسبتا حدود 90 درصد است. یکسان به اندازه 371 6 نانومتر تهیهشدهاند که در شکل 4f مشهود است.
در شکل 3 گاف نواری نمونه ها بر حسب فشار و توان های مختلف لایه نشانی، نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده می شود، با افزایش فشار، گاف نواری افزایش یافته و به مقدار مطلوب 3/3 الکترون-ولت نزدیک شده است. همچنین، با افزایش توان لایه نشانی، گاف نواری کاهش یافته که در این بین گاف نواری برای توان های 100 و 150 وات، بترتیب 3/33 و3/30 الکترون-ولت، به مقدار مطلوب نزدیک می باشند.
با مقایسه شکلهای 4a-4c، با افزایش فشار از 4 10-3 تور تا 2 10-2 تور، اندازه دانهها بزرگتر، توزیع اندازه دانهها یکنواختتر شده اما میزان ترک نیز افزایش یافتهاست. اما پس از آن، با افزایش فشار از 2 10-2 تور تا 4 10-2 تور، توزیع اندازه دانهها یکنواخت و میزان ترک کاهش یافته-است. درنتیجه، لایه AZO تهیهشده در فشار 4 10-2 تور، دارای سطح یکنواخت و ترکهای کمتر است. همچنین، با مقایسه شکلهای 4c-4e، با افزایش توان از 75 وات به 100 وات اندازه دانهها، میزان خلل و فرج و زبری سطح کاهش یافته اما پس از آن با افزایش توان از 100 وات به 150 وات میزان خلل و فرج و زبری سطح افزایش یافتهاست.
درنتیجه، لایه AZO تهیه شده در توان 100 وات کیفیت بهتری دارد. با توجه به نتایج طیف عبور و تصاویر FESEM لایهها، بهترین لایه به لحاظ نوری و ساختاری، لایه AZO تهیهشده در فشار 4 10-2 تور و توان 100 وات است. برای بررسی رسانایی لایههای AZO، مقاومت ویژه لایهها با استفاده از four-point probe ساخت داخل اندازهگیری شده است. نمودار شکل 5 نشان دهنده تغییرات فشار و توان بر حسب مقاومت ویژه است.
