با طلا چکیده. به همراه اکسایش حرارتی در هوا در دماي o C و در قطعات با پایه گسیل میدانی الکترون دارد [7-6]. در

Transcript

1 19 مجلهي پژوهش سیستمهاي بسذرهاي دورهي اول شمارهي زمستان 1390 بررسی خواص گسیل میدانی آرایهي نانوسیمه يا با طلا اکسید روي آلاییده شده چکیده * و رامین یوسفی فرید جمالیشینی 1 1 گروه فیزیک دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز گروه فیزیک دانشگاه آزاد اسلامی واحد مسجدسلیمان آرایهاي از نانوسیمهاي اکسید روي از طریق لایهنشانی فلز طلا در محیط خلا بر روي زیرلایهي فلز روي 400 و به مدت 4 ساعت ساخته شد. الگوي پراش پرتو ایکس به همراه اکسایش حرارتی در هوا در دماي o C مجموعهاي از قلههاي معینی مطابق با ساختار ورتسایت اکسید روي نشان داد. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخص نمود که نانوسیمهاي اکسیدروي با طول چندین میکرون تشکیل شدهاند. مطالعات طیفسنجی فوتوالکترون اشعهي ایکس نشان داد که اتمهاي Au و Zn در حالت اکسید هستند. مطالعهي گسیل میدانی الکترون به وسیلهي ساختار دیودي در فشار mbar صورت پذیرفت. مقدار میدان عطف مطابق تعریف براي چگالی گسیل جریان الکترون /4V/µm 0/1 µa/cm بهدست آمد. نمودار فولر- نوردهیم (F-N) رفتار خطی را در کل محدودهي میدان اعمال شده مطابق با رفتار ذاتی گسیلکنندههاي نیمرسانا نشان داده است. واژههاي کلیدي: اکسید روي نانوسیمها طیفسنج فوتوالکترون اشعه ایکس گسیل میدانی الکترون مقدمه نانوساختارهاي یک بعدي مثل نانولولههاي کربنی و نانوسیمهاي نیمرسانا به واسطهي خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد جهت کاربرد در قطعات فوتونیک و الکترونیک مورد توجه میباشند. در میان انواع ساختارهاي نیمرسانا نانوسیمهاي اکسیدروي (ZnO) به دلیل داشتن نقطهي ذوب بالا خواص مکانیکی خوب پایداري در محیط رسانش الکترونی مناسب الکترونخواهی پاي ین نسبت طول به قطر بالا و کنترل در قسمت انتهایی ساختار به هنگام ساخت بسیار مورد توجه قرار گرفته است [1]. نانوساختارهاي اکسید روي داراي ساختار پایدار ورتسایت بوده که قابلیت کاربري وسیعی از قبیل دیودهاي نوري [] لیزرها [3] پیزوالکتریک [4] حسگرهاي شیمیایی [5] و در قطعات با پایه گسیل میدانی الکترون دارد [7-6]. در چند سال گذشته ساخت نانوساختارهاي اکسید روي به روشهاي مختلف توسط گروههاي پژوهشی متفاوتی گزارش شده است. بعضی از این روشها عبارتاند از لایه نشانی لیزري [8] لایهنشانی بخار شیمیایی [9] تبخیر حرارتی [10] و لایهنشانی شیمیایی [11]. به طور کلی ناخالصسازي ZnO به وسیلهي + جایگزین کردن یونهاي Zn با یونهاي عناصر با ظرفیتهاي مختلف به طور مثال Mn Li و Sn انجام گرفته است. اگرچه حضور عنصر ناخالص ساز در ZnO در مقالات مختلف پیشنهاد شده است اما تا ثیر اضافه کردن و یا ناخالصسازي بر ویژگیهاي ساختاري و خواصی همچون الکتریکی مغناطیسی و نوري در نانوساختارهاي ZnO هنوز هم یک موضوع بحثانگیز * نویسندهي مسي ول( faridjamali@iauahvaz.ac.ir ) (faridjamali003@yahoo.com)

2 بررسی خواص گسیل میدانی آرایهي نانوسیمه يا اکسید روي... 0 است. بر همین اساس پژوهش حاضر گزارشی از بررسی تا ثیر عنصر طلا بر خواص سطحی نانوسیمهاي اکسید روي است که از طریق لایهنشانی فلز طلا در محیط خلا بر روي زیر لایهي فلز 400 و روي به همراه اکسایش حرارتی در هوا در دماي o C به مدت 4 ساعت ساخته شده است. روش آزمایش نانوسیمه يا ZnO از طریق روشه يا زیر ساخته شده است: 1) ورقهه يا فلز روي (99/99 % Aesar (Alfa که به عنوان زیر لایه استفاده میگردد به صورت فرا صوتی در استون و متانول به مدت 10 دقیقه در هر محلول تمیز شدهاند ) یک لایهي نازك از طلا (به ضخامت تقریبا 60 نانومتر) از طریق روش تبخیر در خلا در فشار پایهي mbar بر روي زیر لایهي فلز روي نشانده شده است. ضخامت لایهي طلا با استفاده از روش تیلور- هابسون (Taylor Hobson) اندازهگیري شد. این لایهي نازك به عنوان کاتالیست براي رشد نانوساختارهاي ZnO استفاده میشود 3) بعد از لایهنشانی طلا زیر لایهها در کوره بدون ایجاد خلا قرار داده میشوند و براي اکسایش 400 قرار میگیرند. در هوا به مدت 4 ساعت در دماي o C جهت بررسی مشخصههاي لایهي اکسید روي ایجادشده o پس از اکسایش در دماي 400 C از دستگاههاي پراش پرتو ایکس AXS) (XRD, D8- Advance, Bruker و میکروسکپ الکترونی روبشی JSM-) SEM, JEOL, 6360A) استفاده گردید. ترکیب شیمیایی و نوع عناصر روي سطح لایهي اکسید روي به وسیلهي اندازهگیري طیفسنج فوتوالکترون اشعهي ایکس ) VG XPS, mbar در فشار پایهي (Microtech ESCA3000 با استفاده از چشمهي همچنین از و Mg Kα طریق طیفسنج پراکندگی انرژي پرتو ایکس (EDS) متصل به میکروسکپ الکترونی روبشی بررسی شد. جریان گسیل میدانی الکترون نسبت به ولتاژ اعمالی و نسبت به زمان از طریق ایجاد اختلاف پتانسیل بین نمونه و صفحهي نیمهشفاف (ساختار خلا داراي که محفظهاي در دیودي) mbar بوده به دست آمد. در ساختار دیودي لایهي اکسید روي ایجادشده به عنوان کاتد موازي صفحهي نیمهشفاف فسفري که به عنوان آند در نظر گرفته میشود به فاصلهي 1 mm از یکدیگر قرار میگیرند. اندازهگیري جریان به وسیلهي پیکومتر (485 (keithley و ولتاژ اعمال شده به وسیلهي منبع تغذیه جریان Spellman) -40kV, 0) انجام شد. نتایج و بحث الگوي پراش پرتو ایکس نمونهي ساختهشده در شکل 1 نشان داده شده است. این الگو که حاوي مجموعهاي از قلهه يا مرتبط با ساختار ورتسایت اکسید روي بوده بر اساس مقایسهي مقادیر مشاهدهشده محل قلهها با مقادیر استاندارد شاخصگذاري شده به دست آمده است. همچنین در این الگو قلههاي مرتبط به فلز طلا (Au) و آلیاژهاي طلا- روي (Au-Zn) شاخصگذاري شده است. شکل 1- طیف پراش پرتو ایکس اکسید روي پس از اکسایش حرارتی. Inte nsit y (a rb. units) AuZn 3 ( 0) ZnO(00 ) ZnO(101) Au(1 11) Au 3 Zn(0016 ) ZnO(10 ) (degree) AuZn 3 (40 ) ZnO(1 10) ZnO(1 03) ZnO(1 1) A u 3 Zn(3 36) ZnO (400 ) در شکل تصویر میکروسکپ الکترونی روبشی نشان داده شده است. در این تصویر حضور نانوسیمهایی در تمام سطح نمونه به وضوح مشخص میباشد. اکثر نانوسیمها به صورت عمودي در سطح نمونه جهتگیري شدهاند. قطر نانوسیمها در محدودهي nm بوده و طول آنها چندین میکرومتر هستند. مطالعهي طیف پراکندگی انرژي

3 1 مجلهي پژوهش سیستمهاي بسذرهاي دورهي اول شمارهي زمستان 1390 پرتو ایکس حضور اتمهاي O Zn و Au را نشان میدهد و هیچ نوع قلهاي مرتبط به مواد دیگر نمایان نشده است. - (اکسیژن جذب شده یا گروههاي (O-H و یا یونهاي O در نواحی با اکسیژن کم دخالت داشته باشند. تشکیل - O-Zn در یونهاي O در شبکهي بلوري ZnO دخالت دارند. نسبت مساحت نواحی مربوط به پیوندهاي O-Zn 43:57 میباشد که نشان میدهد تنها %57 از یونهاي اکسیژن در شبکهي ZnO به صورت کاملا اکسیده هستند که ناشی از نواقص شبکه در سطح نمونهي اکسید روي (مانند جاهاي خالی یونهاي اکسیژن و روي) خواهد بود. (Intensity (arb. units)) Intensity (arb.units) Intensity (arb. units) a الف Zn-3p Au-4f Binding Energy (ev) Binding Energy (ev) c Zn- 3p Au 4f Au- 4f bب Zn-p O-1s O 1s Binding Energy (ev) شکل - تصویر میکروسکپ الکترونی روبشی اکسید روي پس از اکسایش حرارتی. نوع پیوندهاي شیمیایی Zn Au و O موجود در سطح نمونهي ساختهشده به وسیلهي تکنیک XPS مشخص میشوند. میزان انرژي پیوند از طریق دریافت قلهي C 1s (85eV) به عنوان مرجع تنظیم گردید. در شکل 3 -ج) فلا( طیفهایی با قدرت تفکیک بالا براي Au 4f-Zn Zn p ج Au 4f-Zn 3p نشان داده شده است. طیف O 1s و 3p (شکل 3- الف) یک برآمدگی کوچکی در جهت مقدار انرژيهاي پیوندي کم را نشان میدهد. این طیف را میتوان به چهار طیف مجزا به ترتیب به نامهاي ev) 83/4) Au 4f 7/ Zn 3p 3/ (88/7 ev) براي طلا و Au 4f 5/(84/4 ev) ev) Zn 3p 91/6)/3 براي روي تجزیه کرد. با محاسبهي مساحت سطح زیر طیفهاي Au 4f مشخص میگردد که % 5 اتمهاي Au فلزي به صورت اکسید میباشند. انرژي طیفهاي Zn p 3/ و Zn p 1/ به ترتیب در 10/ ev و 1045/ ev قرارگرفته که در شکل 3 ب- نشان داده شده است. همچنین طیف O 1s در شکل 3 ج- نشان داده شده است. میتوان این طیف را به دلیل عدم تقارن به دو جزء با انرژيهاي پیوندي 530/6 ev و 53/ ev تفکیک کرد که به ترتیب تشکیل پیوندهاي O-Zn و O-H را بر روي سطح نمونه میدهند. پیوندهاي O-H میتوانند ناشی از تشکیل پیوندهاي ضعیف اکسیژن در سطح نمونه

4 بررسی خواص گسیل میدانی آرایهي نانوسیمه يا اکسید روي... شکل 3- فلا( ) (ب) و (ج) به ترتیب طیفهاي XPS سطح اکسید روي مربوط به Zn p Au 4f-Zn 3p و J( A/cm ) ln(j/e ) O 1s است /E E(V/ m) شکل 4- منحنی چگالی جریان گسیل میدانی بر حسب میدان اعمالشده (J-E) که در داخل منحنی ) ln( J/E بر حسب E/1 رسم شده است. منحنی چگالی جریان گسیل میدانی بر حسب میدان اعمالشده (J-E) در شکل 4 ترسیم شده است. مقدار میدان عطف که بر اساس میزان چگالی جریان گسیلی 0/1 µa/cm تعریف شده است 4/ V/µm میباشد. این مقدار مشاهدهشده از مقادیر میدان عطف سایر نانوساختارهاي ZnO از قبیل نانودیوارها V/µm) 3/6) [1] نانولولهها V/µm) (7 [13] و نانوسیمها V/µm) (8 [14] کمتر میباشد. با افزایش ولتاژ اعمالی جریان گسیل هم سریعا افزایش مییابد به گونهاي که براي چگالی جریان 100µA/cm مقدار میدان الکتریکی 3/4 V/µm نیاز خواهد بود. در این بررسی چگالی جریان به صورت است که چگالی جریان گسیل بر حسب میدان اعمالشده توسط رابطهي فولر- نوردهیم (F-N) بیان میشود [15]. J = (A β E /φ) exp ( Bφ 3/ /βe) (1) که J چگالی جریان گسیل مقادیر( - V A ev φ ثابت B (6/ V ev -3/ m -1 ) و A (1/ تابع کار و β فاکتور افزایشدهنده میدان است. در داخل شکل 4 منحنی ) ln(j/e بر حسب E/1 رسم شده که از مقادیر مشخصههاي J و E محاسبه شده است. قابل توجه است که منحنی در محدودهي میدان اعمالشده به صورت خطی رفتار میکند. این نتیجه نشان میدهد که در این محدوده نمونه همانند نمونههاي رسانا رفتار کرده و مشابه منحنیهاي غیرخطی که در مورد نانوساختارهاي اکسید روي و یا سایر نیمرساناها در گذشته گزارش شده است نمیباشد [6 و 16]. شکل 5- منحنی جریان گسیل میدانی بر حسب زمان که در داخل آن تصویر گسیل میدانی الکترون نمونه قرار دارد. یکی دیگر از پارامترهاي مهم از نظر کاربري در تکنولوژي پایداري جریان گسیل الکترون میباشد. به همین منظور پایداري جریان گسیل بر حسب زمان (I-t) در فشار mbar بررسی گردید. در شکل 5 منحنی (I-t) براي مدت 3 ساعت رسم شده است. این نمونه پایداري جریان گسیل الکترون بسیار خوبی را نشان داده که متوسط تغییرات جریان به میزان %10 ± محاسبه میگردد. تصویر گسیل میدانی الکترون نمونه نیز در داخل منحنی (I-t) قرار گرفته است. این تصویر مجموعهاي از نقاط نورانی را نشان میدهد. J = I/A تعریف میشود که I جریان گسیل اندازهگیري شده و A کل سطح نمونهي مقابل به صفحهي نیمهشفاف است. به طور مشابه میدان اعمالشده E به صورت E = V/d تعریف میگردد که در آن V پتانسیل اعمالشده و d فاصلهي بین نمونه تا صفحهي نیمهشفاف است. این میدان متوسط میدان اعمالشده خواهد بود. شایانذکر

5 3 مجلهي پژوهش سیستمهاي بسذرهاي دورهي اول شمارهي زمستان 1390 nanowire lasers and waveguides, Journal of Physical Chemistry B 107 (003) [4] Zhao, M.H.; Wang, Z.L.; Mao; S.X.; Piezoelectric Characterization of Individual Zinc Oxide Nanobelt Probed by Piezoresponse Force Mic, Nano Letters 4 (004) [5] Lao, C.; Li, Y.; Wong, C.P.; Wang; Z.L.; Enhancing the Electrical and Optoelectronic Performance of Nanobelt Devices by Molecular Surface Functionalization, Nano Letters 7 (007) [6] Jamali Sheini, F.; Joag, D.S.; More; M.A.; Field emission studies on electrochemically synthesized ZnO nanowires, Ultramicroscopy 109 (009) [7] Huang, Y.; Yu, K.; Zhu; Z.; Synthesis field emission of patterned ZnO nanorods, Current Applied Physics 7 (007) [8] Zhang, Y.; Russo, R.E.; Mao; S.S.; Femtosecond laser assisted growth of ZnO nanowires, Applied Physics Letters 87 (005) [9] Wu, J.J.; Liu; S.C.; Catalyst-Free Growth and Characterization of ZnO Nanorods, Journal of Physical Chemistry B 106 (00) [10] Yousefi, R.; Jamali-Sheini; F.; Effect of chlorine ion concentration on morphology and optical properties of Cl-doped ZnO nanostructures, Ceramics International 38 (01) [11] Jamali-Sheini; F.; Chemical solution deposition of ZnO nanostructure films: نتیجهگیري نانوسیمهاي اکسید روي از طریق لایهنشانی طلا در محیط خلا و اکسایش حرارتی در هوا تولیدشدهاند. بر اساس الگوي XRD ساختار اکسید روي نمونهي ورتسایت به دست آمد. از تصویر SEM مشخص شد که آرایهاي از نانوسیمها با چگالی بالایی تشکیل شده است. نتایج طیف XPS در گسترهي Au 4f-Zn 3p نشان میدهد که برخی از اتمهاي Au به صورت اکسید هستند. طیف XPS براي Zn p نشان از تشکیل ZnO بر روي سطح نمونه را دارد. همچنین طیف O 1s کمبود اکسیژن را در شبکهي بلوري ZnO نمایان میکند. در مطالعهي گسیل میدانی الکترون میدان عطف نمونه که براي چگالی جریان گسیل µa/cm 0/1 تعریف گردیده /4 V/µm به دست آمد که نسبت به سایر نانوساختارهاي اکسید روي مقدار پایینتري را داشته است. پایداري جریان براي 3 ساعت بررسی شد که حدود %10 ± تغییرات را نشان داد. تشکر و قدردانی نویسندگان مقاله از همکاري دانشگاههاي آزاد اسلامی واحد اهواز و واحد مسجدسلیمان به خاطر حمایت مالی این تحقیق صمیمانه تشکر میکنند. منابع [1] Fang, X.; Bando, Y.; Gautam, U.K.; Ye, C.; Golberg; D.; Inorganic semiconductor nanostructures and their field-emission applications, Journal of Materials Chemistry 18 (007) [] Bao, J.M.; Zimmler, M.A.; Capasso, F.; Wang, X.; Ren; Z.F.; Broadband ZnO single-nanowire light-emitting diode, Nano Letters 6 (006) [3] Johnson, J.C.; Yan, H.; Yang, P.; Saykally; R.J.; Optical cavity effects in ZnO

6 بررسی خواص گسیل میدانی آرایهي نانوسیمه يا اکسید روي... 4 [15] Fowler, R.H.; Nordheim; L.W.; Electron Emission in Intense Fields, Proceedings of the Royal Society of London Series A 119 (198) [16] Ramgir, N.S.; Mulla, I.S.; Vijaymohanan, K.; Late, D.J.; Bhise, A.B.; More, M.A.; Joag; D.S.; Ultralow threshold field emission from a single multipod structure of ZnO, Applied Physics Letters 88 (006) Morphology and substrate angle dependency, Ceramics International 38 (01) [1] Pradhan, D.; Kumar, M.; Ando, Y.; Leung; K.T.; Efficient field emission from vertically grown planar ZnO nanowalls on an ITO-glass substrate, Nanotechnology 19 (008) [13] Wei, A.; Sun, X.W.; Xu, C.X.; Dong, Z.L.; Yu, M.B.; Huang; W.; Stable field emission from hydrothermally grown ZnO nanotubes, Applied Physics Letters 88 (006) [14] Yang, Y.H.; Wang, C.X.; Wang, B.; Xu, N.S.; Yang; G.W.; ZnO nanowire and amorphous diamond nanocomposites and field emission enhancement, Chemical Physics Letters 403 (005)