اکس ر ر ن لایص در دمان 450ºC ب ر ش اسپژن پایژ ی زیز سنتز شرزر. ط ف XRD زموز ها زشا دهنره رشر زموز ها ب صورت به مجلة فیزیک کاربردی دانشگاه الزهرا

Transcript

1 )س( مجلة فیزیک کاربردی دانشگاه الزهرا سال پنجم شمارة پاییز و زمستان 1394 مطالعه خواص ساختاری اپتیکی و الکتریکی الیههای نازك اكسید روی آالیششده با ناخالصی نیتروژن )ZnO:N( رشدیافته بر روی شیشه و الیه واسط ZnO به روش اسپری پایرولیزیز نرگس حسین 1 یاسینزاده عشقی تاریخ دریافت: 93/1/ تاریخ تصویب: 94/9/3 چکیده الیه ههان زها اکسه ر ر ن یالیه یافته )ZnO:N( ب ر ش اسپژن پایژ ی زیز بژ ر ن ش ش بها زالایصه ز تهژ ز ز الی اسه اکس ر ر ن لایص در دمان 450ºC ب ر ش اسپژن پایژ ی زیز سنتز شرزر. ط ف XRD ها زشا دهنره رشر ها ب صورت به بلورن در فا ششگوش بوده در حهای که ت هتگ هژن تژت یه 1 دازشجون کارشناس ارشر ف زیک دازشگاه شاهژ د استادیار ف زیک دازشگاه شاهژ د h_eshghi@shahroodut.ac.ir

2 / 88 مطالعه خواص ساختاری اپتیکی و الکتریکی الیههای نازك اكسيد روي آاليششده... رشر در یز ا تغ هژ پ هرا کهژده اسهت. ایه تای ژگهاارن در لهوا اپت ک الی ها کاه بخوب الی ها ز ز بخوب مشه ود بهوده به طهورن که ر هور اپت که تاب زورن یز ا افزای با توت ب تغ ژات ابعاد بلور ها یافته اسهت. ایه تغ هژات ز ز تهژاک ههان زاراسهت بلههورن در ایهه مههواد سهها گار اسههت. لههوا ایکتژیکهه الیهه ههها رسازنرگ م اس دهر. ایکتژیک ب شهتژن را در ه رشهر یافته بهژ ر ن الیه ZnO در مقایس با رشر یافت بژ ر ن یژالی ش ش زشا واژههای كلیدی: سالتارن اپت ک ایکتژیک. ب 1. مقدمه کاربژد بایقوه زازوسالتارها در قطعات م کژ ایکتژ ز ک اپتهو ایکتژ ز هک موتهب توته بس ارن ا میقق گاف زوارن مستق پ رل زازو ب ای مقوی شره اسهت. mev( ازژ ن اکس توز باال 3/37( ev( در م ها زهازو سهالتارها ZnO به 60( همچن سلولهان لورش رن حسگژهان گا ن ایکتژ دهان شفاف اپت که پوشه ی زر قطعات پ ز ایکتژ ز ک اشاره کژد ][. الی هان زا س تر ل تنا ب شره است. یالی ا ق ز تژ ZnO با زالایص Al In Ga B بژان افهزای )N( در ش ک اکس ر ر ن م اکس ژ در زق ات هان بخشنره زق ایفاء زماینر. در ای ر ن بژرس لوا ف زیک الی یژالی هان ییوم نا ان زا اسپژن پایژ ی زیز سنتز شره است پژدالت یشکارسا ن زور فژابنف ب توا ها م الی مواردن همچو ا ش ش ب همژاه یک الی اس در ای ههرایت ایکتژیکه به دی ه کهاربژد در ههان مقها فلزن گهژ ه کهار گژفته توازر با تایگزین در ت تاهان مورد ش نره اکس ر ر ن یالی ره با ز تژ ا تهن همکهارا ]4 3[ )ZnO:N( ک ب ه ژ ZnO لهایص به ر ش ازر. هرف یز ا در ای گزارشها مطایعه ها بوده است. ا تمل کنر پاش اسپژن پایژ ی زیز س لهوا ر شهان مختلهف رشهر ایه - ل الی زشاز بخهار

3 ش م ای مجلة فیزیک کاربردی دانشگاه الزهرا )س( سال پنجم شمارة پاییز و زمستان 89 / 1394 )CVD( اشاره کژد ]6-1[. در ای م ا ر ش اسپژن پایژ ی زیز ب رلت مزیتهای همچو ار ا بود رر ز ا ب لال توت ب شتژن بژ لوردار شره است. ما در ای تیق ق ب بژرس ر ن لایص بژ ر ن ز تژ اتم هما م زا یژالیه لوا ش شه )ه ما الی زشاز سالتارن اپت که ) )N( با استفاده ا میلول ا دنمت فژ ام ر کوتاه در مقایس با دیگژ ر شها ا ایکتژیکه اکسه ر ر ن یالیه زها ال یه ( ) 3 )HCON(CH ب م زا اکسه ر شهره بها زالایصه 10 درصهر بژ ر ن یژالی ش ش )ه S( )N/Zn=10 at%( ) یالی در S( اما بژ ر ن الی ان اسه اکسه ر ر ن یال یه شهره )بها ا اکسه ر ر ن همازنهر ه S( 3 ب ر ش اسپژن پایژ ی زیز پژدالت ای. در ای کار توت اصل ب تفا ت هان لوا ف زیک ب بر الی اس اکس ر ر ن لایص م مها معطهوف هان "یالی شره" )ب م زا یکسا ) در شژای باشر. با. مراحل تجربی حام ها در دمان C 450 با یهنگ 3/5 ml/min با استفاده ا رشر داده شره ازر. بژان ت میلول ا استات ر ن د یب استفاده شره است. ب ه ه ژ ان مشخصهه یههاب ه ه ه ا ا هه پههژاش پژتههو ا یک ه ه هوا ن ل ش ه ک به رنهوا گها یب مقطژ س (XRD) توسهه D8 Advance-Bruker ابست ب ل ط ف 0/15406 nm با طول موج CuK α در گستژه درت استفاده شره اسهت. بهژان سهنج ط فه هههه ه ه ان ر هورن بار یهوز زه دسههتگاه یه ا با تهاب θ ههههها ا دسههههتگاه اسههههپکتژ فوتومتژ UV-Vis.-Shimadzo-1800 در گسههههتژه nm بههههژان تع هههه ضههههخامت هههه ههههها ا 0 nm با دقت Profilemeter Taylor/Hobson ال ی ه یتها مورفویههو ن سههط ه ه ا ا دسهتگاه مشخصه هه شه م ای ایکتژ سژازجا دسههههتگاه بژان تع بههههژنسههههن مشخص تژیها - (4160-S (SEM; Hitachi ازجا شره است. م ه ر ل BHP063t اسهتفاده کهژده ایه. ههها توسهه م کژ سههکوک ایکتژ زهه ر بشهه گسهه م ههراز

4 / 90 مطالعه خواص ساختاری اپتیکی و الکتریکی الیههای نازك اكسيد روي آاليششده نتایج و بحث مورفولوژی نمونهها 1 شک تصا یژ SEM مژبوط ب تصا یژ مشاهره م ر ن ش ش ) شود ک در مقایس با S( ازرا ه داز ها کاه هان رشهر داده شهره را زشها مه یافت لایص یک اگژچ در ه در ک الی لایص ZnO الی زشاز شره است ازرا ه داز ها مجردا رشر یافت الی دههر. یالیه ب ها ت و ت ه به یافته بهژ ZnO:N بهژ ر ن بزرگتژ شرهازر µm 500 nm 1.00 µm 500 nm 1.00 µm 500 nm شکل 1. تصا یژ SEM مژبوط ب هان مورد بژرس.. 3. خواص ساختاری 00 ± 0 nm را شک ط ف XRD لایص یالیش با ضخامتهان زس تا یکسا دهر. زشا م

5 مجلة فیزیک کاربردی دانشگاه الزهرا )س( سال پنجم شمارة پاییز و زمستان 91 / 1394 Intensity (a.u.) (100) (00) (101) (10) (110) (103) (11) (degree) ZnO:N شکل. ط ف XRD الی ZnO لایص ( 1 )S هان زا یالی شره با ز تژ.) ه نا ) زتای برست یمره حاک ا ی است ک ت تگ ژن تژت ی بلهورن در الیه یالیه داران S( 3 تا حر یادن تابع زوع ه نا ) یافت یژالی است ب طهورنکه ه سالتار هگزاگوزال به بلهورن بها ت هتگ هژن تژت یه )00( متنهارژ بها ت هتگ هژن تژت ی بوده یک ت تگ ژن تژت ی در تغ ژ کژده رمرتا در ت هت )101( م باشر. در ای هان ب بلورن ابعاد بلور توا ها را م با استفاده ا فژمول شژر ]5[: D 0.9 cos )1( برست ی رد. در ای رابط طول موج پژتو ایک بزرگ تما پ نها در ز مه ب شه ن ا ی پژاش بژاگ است. رال ه بژ ای کم ت م توا پارامتژهان سالتارن (FWHM) دیگژ زظ ژ چگای در رفتگ ها )δ( ب رنوا طول لطوط دررفتگ ها بژ احر حج بلهور 3 تع ز ز کژز )ε( ایجاد شره در الی را ب کمک ر اب کژد ]6[: 1 D 4tan )( )3( زتای حاص ا مقادیژ م ازگ ای میاس ات در تر ل 1 ارائ گژدیره است. ای زتهای حاک ا ی است ک با یالی الی ابعاد بلور ها در مقایس با ه کهاه م هزا زاراست هان بلورن افزای یافت است یک در اگژچ ر زر مشاب رخ داده اسهت

6 / 9 مطالعه خواص ساختاری اپتیکی و الکتریکی الیههای نازك اكسيد روي آاليششده... اما م زا ای تغ ژات ب طور میسوس کمتژ است. رلت ای امژ م توازهر زاشه ا حضهور الی اس اکس ر ر ن باشر ک ا زظژ سالتار شه ک ان همهاهنگ ززدیکه بها الیه ر یه )ZnO:N( لهود دارد. در ادامه به تهای ژ ایه تغ هژات سهالتارن بهژ لهوا اپت که ایکتژیک الی ها پژدالت ای. جدول 1. مقادیژ م ازگ حاص ا تیل دادههان پژاش پژتو ایک در هان مورد بژرس. Sample D (nm) (nm - ) ( 10-3 ) 7/97 0/ /3 0/000 5/1 7/11 0/0014 4/ خواص اپتیکی شک 3 ط فهان ر ور با تاب همچن تاب زورن ا یه ال یه ه ها را بهژ حسهب تهابع ا طول موج زور تابش در با ه nm زشا م دهر. ال ب ذکژ یزکه ط هف زشها داده شره در هژ یک ا ها تن ا متعلق ب الی فوقاز ی بوده به هنگها ازهرا هگ هژن بخ یژی ی ب رنوا شاهر در دستگاه ط ف زگار قژار داده شره است.

7 مجلة فیزیک کاربردی دانشگاه الزهرا )س( سال پنجم شمارة پاییز و زمستان 93 / T & R (%) T R S1 S3 S Wavelength (nm) )ایف( 1.0 absorbance (a.u.) شکل 3. )ایف( ط فهان ر ور wavelength (nm) )ب( با تاب )ب( ط ف تاب زورن ها. م کاه با توت ب شک باشر. ای پژاکنرگ 3 )ایف( مالحظ م تغ ژات با توت به فوتو ای با توت ب ضخامت مشاب باشر م زا رسازنرگ شک الی افهزای ها بژ ایژ کاه الی م زا شود ک ابعهاد بلهور تژاک مژ داز ها رام دیگژ ک م ر ور در ه ها در ایه ه باالتژ ا ه ( ت ه ر ل 1( ها امژن قاب ازتظار است. رال ه بهژ توازر در م هزا ر هور ال یه هاست ک در مقهرار رهایق-گهوز یها فلهز-گهوز تای ژگاار است ک در بخ بعر برا پژدالت ای. با توته به ط هف تهاب 3 )ب( مالحظ م شود که ه مقایس با لایص بژلوردار شرهازر. ای بلورن ب شتژ در ای شره امکا تاب فوتو ه ها په ها باشر ک منشاء تشهک امهژ م ه ا یالیه تژا ا تهاب اپت که ز س ه ه ها مهویژ یز ها )a( ه هها ب شهتژن در توازهر متهایژ ا تهود زاراسهت ههان ههای هان با ازژ ن هان گوزاگو را امکا پایژ م در داله گهاف زهورن مهاده سا زر.

8 / 94 مطالعه خواص ساختاری اپتیکی و الکتریکی الیههای نازك اكسيد روي آاليششده... رابط ا با داشت ط ف تاب )a( الی ها م :)5( )4( ahv A hv E g برست ی رد. در ای رابط یابت است. ب منظور تع توا hv ازژ ن فوتو بزرگ گاف زورن مستق E g فژ دن گاف بزرگ گاف زورن ماده مورد زظژ م بژ ز اب بخ لط زمودار در ازژ نهان باال بها میهور افقه زتای برست یمره در شک اییاق زشا داده شره است. زورن الی توا یز ها را به کمهک با توت ب A یک معادیه اسهتفاده کهژد )شهک ضژیب )4(.)4 (ah ) Eg (ev) Sample S h (ev) شکل 4. گاف زورن مژبوط ب هان مورد بژرس. زتای ای با توت ب کوچکتژن زس ت ب م مشاهره م لایص یافت یالی ه نا شود ک بژلوردار بوده ا ا توازر زاش مقرار کوچکتژن در مقایس با شک گ ژن دز ایه زهوارن ابسهت به لایص )رمرتا ت جاهان اکس ژ ) ب رنوا مژاکهز شه زالایص ب شتژ ا ابست ب ات هان ز تژ باشر. با توت ب در مقایس ب بژلوردار م زاراسهت ا گاف زهورن هان یالی یافته باشر. رلهت ایه تغ هژات ههان ذاته در اکسه ر ر ن - بخشهنره ز هز حضهور تهژا تر ل 1 تژاک ایه زاراسهت هها در ههان باشر ک م با توت ب زظژی هان ابست در ای مورد ]7[ ازتظار مه دز ای زوارن ا پ نان ب شتژن بژلوردار باشر گاف زورن الی کوچکتژ باشر. ر د ههژ چه

9 4. 3. خواص الکتریکی شک مجلة فیزیک کاربردی دانشگاه الزهرا )س( سال پنجم شمارة پاییز و زمستان 95 / زتای ازرا هگ هژن مشخصه تژ ی ها - یتها (I-V) ه ایکتژ دن در یک مژبع شک با ابعاد 1 cm در با ه ای دادهها مؤیر اهم بود اتصاالت بوده هان یالی الی شره ( S همچنه ه ها را در یهک سهاماز د 5- تا 5+ V زشا م زشهازگژ کهاه دهر. رفتهار مقا مهت ایکتژیکه S( 3 در مقایس با الی لایص ( 1 S( بتژت ب به زسه تههان حهر د 6 بژابژ م /5 پ راست رسازنرگ باشر )زمودار ضم م در شهک ایکتژیک ب دی ب ود بلورینگ در ازتظار است. 5(. ر هال ه به ژ ا یه بزرگتژ ا است. در زت ج ای تفا ت با توت ب زتای چنازچه ا ایه دادههها تهر ل 1 کاه پژاکنرگ ایکتژ ز ا دررفتگ هها قابه 10 8 S1 6 S S Voltage (v) Current ( A) Rsh (M ) Sample شکل 5. تغ ژات تژیا بژ حسب یتا در هان مورد بژرس. 4. نتیجهگیری اس ه نا اکس ر ر ن یالی اکس ر ر ن لایص ) شره با ز تژ بهژ ر ن ش شه ) )ه ) ب XRD در مقایس با اگژچ ها زشا دهنره کاه ز هز بهژ ر ن الیه ر ش اسپژن پهایژ ی زیز الیه زشهاز شهرزر. ط ه ف م زا تژاک دررفتگ کهژز ها ههان بلهورن در ه است. ای زتای با تغ ژات ط فههان ر هورن ز هز گهاف زهوارن ها مطابقت دارزر. ای امژ همسو با لوا ایکتژیک هژ د ب ود بلورینگ ا مقرار یکساز کاه پژاکنرگ حام ایکتژیک بزرگتژن در مقایس با ز تژ زالایص هان ی اد ا زاکهامل بژلوردار شره است. ه نا مورد بژرس بژلوردارزر یک ه است که به دی ه ههان بلهورن ا رسهازنرگ

10 / 96 مطالعه خواص ساختاری اپتیکی و الکتریکی الیههای نازك اكسيد روي آاليششده منابع [1] T.V. Vimalkumar, N. Poornima, K.B. Jinesh, C. Sudha Kartha, and K.P. Vijayakumar; on single doping and Co-doping of spary pyrolysed ZnO ; Applied Surface Science 57 (011) [] S. Yilmaz, M. Parlak, S. Ozcan, M. Altunbas, E. McGlynn, and E. Bacaksiz; Structural, optical and magnetic properties of Cr doped ZnO microrods ; Applied Surface Science 57 (011) [3] S.S. Shinde, C.H. Bhosale, and K.Y. Rajpure; N-doped ZnO based fast response ultraviolet photoconductive detector ; Solid-State Electronics 68 (01) 6. [4] S.S. Shinde and K.Y. Rajpure; Fabrication and performance of N-doped ZnO UV photoconductive detector ; Alloys and Compounds 5 (01) [5] D. Inamder, C. Agashe, P. Kadma, and S. Mahamuni; Doping optimization and surface modification of Al-doped Zinc oxide films ; Thin Solid Films 50 (01) [6] P.P. Sahay and P.K. Nath; Al-doped ZnO thin films as methanol sensors ; Sensors and Actuators B 14 (008) [7] J. Singh; Semiconductor Optoelectronics ; McGraw-Hill International Edition (1995).