بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله لایه نشانی اکسید روی - ZnO - به کمک فرآیند رسوب گذاری بخار شیمیایی در محیط پلاسما با راکتور کوپل خازنی و منبع تغذیه فرکانس رادیویی - RF-PECVD - مورد مطالعه قرار گرفته است. ترکیب فلزی-آلی استیل استات روی Zn - acac - 2 به عنوان ماده اولیه روی و گاز اکسیژن به عنوان ماده اولیه اکسیژن استفاده شده است. در اینجا اثر نسبت فشار جزئی گاز اکسیژن به فشار جزئی بخار ماده استیل استونات روی بر ساختار شیمیایی لایه در دمای زیر 100 درجه سانتی گراد بررسی شده است. بررسی ساختار بدست آمده از طریق تحلیل طیف فروسرخ با تبدیل فوریه FTIR صورت گرفت. همچنین جذب طیف UV-Vis بررسی شده است.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر توجه بسیار زیادی به نیمه هادیهای اکسید روی شده است. کاربردهای رو به گسترش اکسید روی در اپتوالکترونیک مدیون گاف نوار پهن و مستقیم آن - Eg~3.3 eV در دمای اتاق - می باشد. اکسید روی یک رسانای شفاف و جایگزین بسیار مناسبی برای ITO - اکسید قلع آلائیده با ایندیوم - بوده و برای ساخت آن می توان هزینه بسیار کمتری را متحمل شد و رسانندگی و خواص الکترونیکی آن را به کمک آلائیدن با آلومینیوم - AZO - به شدت بهبود بخشید. لایه نازک اکسید روی به چندین روش تولید می شود که هرکدام برای کاربردهای مختلف، مزیتهای خاصی دارند. روشهای سل-ژل، تبخیری الکترونی، کندوپاش، لیزر پالسی - - PLD و روش رسوب گذاری بخار شیمیایی - CVD - از معمولترین آنها می باشند
امروزه فرآیند رسوب گذاری بخار شیمیایی با روشهای مختلفی انجام می گیرد که یکی از آنها استفاده از محیط پلاسمایی برای انجام واکنش است. تولید محیط پلاسما نیز با چندین تکنیک صورت می پذیرد که عبارتند از استفاده از منبع تغذیه فرکانس رادیویی، مایکروویو ویا جریان مستقیم. در این تکنیک با حضور پلاسما می توان فرآیند رسوب گذاری را در دمای پایین تر از 100 درجه سانتیگراد انجام داد به طوری که برای بسیاری از کاربردهایی که نیاز است لایه بر روی بسترهای پلیمری و یا قطعات حساس الکترونیکی و اپتیکی نشانده شود، مناسب است
یکی دیگر از مزیتهای این روش زیاد بودن تعداد پارامترهای آزمایش است که می توان با تغییر دادن آنها و بدست آوردن شرایط بهینه، لایه اکسید روی با کیفیت بسیار عالی تولید کرد. متداول ترین موادی که به عنوان منبع روی در انواع روشهای رسوب گذاری بخار شیمیایی استفاده می شود، عبارتند از: دی اتیل رویDEZ ، دی متیل روی DMZ و استیل استات روی 1] Zn - acac - 2و.[4 به علت اینکه دی متیل روی و دی اتیل روی به شدت سمی و آتشگیر می باشند و کار کردن با آنها با محدودیت همراه است، در سالهای اخیر استفاده از ماده فلزی-آلی استیل استات روی رو به گسترش می باشد.
مهمترین پارامترهایی را که در اینجا می توان تغییر داد، شامل نسبت شار اکسیژن به شار بخار ماده آلی، فشار کاری، دمای زیرلایه، ولتاژ بایاس زیرلایه و توان منبع تغذیه پلاسما می باشد. بررسی تأثیر پارامترهای آزمایش بر خواص الکتریکی، اپتیکی و مورفولوژی سطح در چندین مقاله گزارش شده است. همچنین ساختارهای شیمیایی و آنالیز پیوندهای شیمیایی لایه نیز از طریق طیفهای FTIR و XPS و رامان مورد مطالعه قرار گرفته است
در این پژوهش، با تغییر دادن نسبت شار ماده فلزی-آلی و گاز اکسیژن و ثابت نگاهداشتن بقیه پارامترها، اثر این متغیر را از طریق تحلیل طیف FTIR و طیف رامان بررسی کرده و همچنین نمودار طیف جذب این ماده را در ناحیه نور مرئی و فرابنفش بدست می آوریم.
-2 روش آزمایش
سیستم PECVD در این آزمایش شامل یک محفظه استوانه ای خلأ بالا از جنس فولاد ضد زنگ به قطر 38 و طول 40 سانتیمتر است. منبع تغذیه پلاسما، منبع فرکانس رادیویی با فرکانس 13.56 مگاهرتز است که از طریق کوپل خازنی به یک سیستم تطبیق امپدانس کوپل شده است تا از اتلاف توان جلوگیری شود. نگهدارنده زیرلایه مجهز به سیستم گرم کننده و سیستم گردش آب برای کنترل حرارت تا دمای 300 درجه سانتیگراد می باشد. در آزمایشاتی که انجام شد دمای زیرلایه کمتر از 120 درجه سانتیگراد بوده است. تصویری از تجهیزات آزمایش در آزمایشگاه پلاسما در شکل 1 نشان داده شده است.
در ابتدا زیرلایه ها را با آب و صابون شسته سپس برای از بین بردن چربی ها آنها را به مدت 10 دقیقه در حمام اولتراسونیک استون قرار داده سپس با آب مقطر شسته و در حمام اتانول قرار می دهیم در آخر در کوره با دمای 80 درجه سانتیگراد خشک می کنیم. برای افزایش چسبندگی لایه روی سطح و فعال سازی سطح، لایه ها به مدت 5 دقیقه در معرض پلاسمای اکسیژن قرار گرفتند.
برای تأمین ماده روی در ایجاد لایه نازک از ماده آلی فلزی استیل استونات روی ساخت شرکت مرک آلمان، استفاده کردیم. این ماده در دما و فشار استاندارد به حالت جامد است و باید تبخیر شود. برای این منظور از یک سیستم تبخیر مخصوص خلأ بالا - Bubbling system - استفاده کردیم. برای عبور یکنواخت گاز و جلوگیری از ایجاد رسوب در مجراهای عبور گاز، دمای ماده مورد نظر از طریق یک سیستم گرم کننده، کنترل شده و ثابت نگهداشته می شود.
شار گازها با شیر سوزنی و فلومتر جرمی - MFC - و مقدار ماده فلزی-آلی نیز توسط شیر سوزنی مخصوص کنترل می شود همچنین فشار محفظه نیز با فشارسنج پیرانی اندازه گیری می گردد. به علت اینکه دمای جوش ماده فلزی- آلی استیل استونات روی حدود 120 درجه سانتیگراد در فشار ایجاد شده می باشد، این ماده در سیستم تبخیر تا این دما گرم می شود و برای جلوگیری از چگالش آن در محفظه قبل از انجام واکنش؛ ابتدا دمای محفظه به کمک پلاسمای گاز اکسیژن بالا می رود . سپس ماده فلزی-آلی با شار معین، با شار مشخصی از گاز اکسیژن ترکیب شده و وارد محیط پلاسمای محفظه واکنش می گردد.
جدول: 1 شرایط آزمایش در ایجاد پلاسما برای نمونه های اول و دوم
شکل: 1 تصویری از تجهیزات آزمایش
-1-2 تحلیل طیف تبدیل فوریه فروسرخ
ترکیب - acac - در استیل استونات روی یک پیوند حلقوی پایدار و مستحکم است و نیاز به دماهای بالای 600 درجه سانتیگراد برای شکستن و انجام واکنش برای تولید اکسید روی دارد. در حضور پلاسما می توان این واکنش را در دماهای بسیار پایین تر و حتی در دمای اتاق انجام داد. برای افزایش کیفیت لایه معمولاً از گاز اکسیژن یا دی اکسید کربن در محیط پلاسما استفاده می شود. برای این منظور ما از گاز اکسیژن استفاده کردیم.
داده های آزمایش مربوط به دو نمونه ای که گرفته شده در جدول 1 آمده است. همانطوری که از داده های جدول پیداست، توان منبع تغذیه و فشار کاری و دمای زیر لایه و زمان لایه نشانی در هر دو ثابت می باشند.
شکل 2 نمودار FTIR مد عبوری مربوط به نمونه ها را نشان می دهد که شرایط آزمایشگاهی آنها در جدول 1 آمده است. قله های طیف، مربوط به پیوندهای مختلف در ساختار ترکیب لایه است.
شکل: 2 طیف FTIR برای درصد مد عبوری نمونه اول و دوم اکسید روی
