مطالعهی خواص نوری و حرارتی فیلمهای نازک اکسید روی

مطالعهی خواص نوری و حرارتی فیلمهای نازک اکسید روی 1 * رقیه کالنتریپور مسعود سبزی 1 Downloaded from jicers.ir at 4:22 +0430 on Monday July 23rd 2018 چکیده: 1- باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان دانشگاه آزاد اسالمی دزفول ایران نویسنده مسئول: mas.metallurg88@gmail.com در این پژوهش به بررسی تئوری خواص نوری و حرارتی فیلمه یا نازک اکسید روی پرداخته شده است. شهرت و معروفیت زیاد اکسید روی از رشد و توسعهی فناوری ساخت این ماده بصورت الیهه یا کریستالی و همبافته با کیفیت بسیار باال میعباشد که باعث تحقق این امر شده است که اکسید روی به عنوان وسایل و ابزار آالت الکترونیکی و نوری مورد استفاده قرار گرفته است. درمجموع فیلمهای نازک اکسید روی دارای ویژگیهای نوری و حرارتی خوبی بوده و همچنین هزینههای ساخت پایینی دارند. بررسیها نشان داده که برای اکسید روی ضریب انبساط گرمایی در 300 k برابر با 10 6-2.49 = c α میباشد. همچنین گزارش شده که قابلیت رسانش گرمایی اکسید α a = 4.31 10-6 روی در محدودهی 1- k k = 0.6 1 W cm 1- متغیر است. ظرفیت گرمای ویژه برای در فشار ثابت برابر با 40.3 J n e 1- mol گزارش داده شده است. از طرفی هم شاخص انکسار نور ورتسیت معموال n و = 2.029 ω = 2.008 تخمین زده شده است. کلمات کلیدی: اکسید روی خواص نوری خواص گرمایی فیلمه یا نازک. 1

Downloaded from jicers.ir at 4:22 +0430 on Monday July 23rd 2018 1- مقدمه ر یو عنصری است متمایل به آ یب و آلومینیوم آهن شیمیایی مس با عالمت اختصاری Zn که دارای عدد اتمی 30 است. ر یو فلزی است به رنگ سفید که بر اثر رطوبت هوا تیره رنگ میشود و در حین احتراق رنگ سبز براقی تولید میکند. روی بعد از استفاده مورد فلز چهارمین مختلف و فوالد گالوانیزه را نام برد. روی یکی از عناصر دنیا در شیمیایی ر یو استفاده موارد از میباشد. جدول تناوبی است که نماد آن میتوان Zn آلیاژهای و عدد اتمی آن 30 میباشد. روى فلزى است با چگالى 1 / 7 گرم بر سانتى متر مکعب و نقطه ذوب 419 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 911 درجه سانتیگراد. فلز روى یکى از فلزات اصلى در دنیاى امروزاست. اگرچه فراوانى زیادى ندارد ( 76 میلیونیم پوسته زمین( تولید سالیانه 8 / 5 میلیون تن روى آن را بعد از آهن آلومینیم و مس در مقام چهارم قرار داده است. بیشترین کاربرد روى به عنوان پوشش محافظ به منظور تأخیر در خوردگى و سخت کارى سطح فوالد است. اما روى در ساخت آلیاژهاى برنج و آلیاژهاى ریختگى تحت فشار Zn نیز استفاده مى شود.[1 3] اکسید روی پودری سفید مایل به زرد و بسیار نرم همراه با سطح ویژه بسیار باال است. نانوپودر اکسید روی با شکل ذرات و خواص کاربردی توزیع دانه بندی کنترل شده بسیار مطلوب بوده و برای ساخت سرامیكهایی با ریزساختار بهینه و طریق از میتوان را نانومتری روی اکسید میباشد. نیاز مورد پیشرفته روشهایی مانند میکروامولسیون روش سنتز کلوییدی رسوب دهی روشهای سل ژل و سنتز حرارتی با اسپری تولید کرد. روی اکسید یا اکسید روی OXIDE( )ZINC که در کتابهای کهن توتیا نامیده میشود ترکیب غیرآلی با فرمول و به شکل پودری سفید رنگ و غیرمحلول در آب است. اخیرا اکسید روی () در انجمنهای علمی به عنوان یك مادة آیندهدار توجه بسار زیادی به خود جلب کرده است. با این وجود تا حد زیادی با نام غلط به عنوان به طور گستردهای از سال 1935 مورد مطالعه و بررسی قرار داده شده است.[3-6] با بسیاری از صنایع فعلی ما و پیشرفت روز به روز زندگی از لحاظ اساس و کاربرد این ماده () مورد مطالعه و بررسی قرار داده شده است. شهرت و معروفیت زیاد این ماده ناشی از رشد و توسعه تکنولوژی و فناوری ساخت الیههای واحد )کریستالی( و همبافته با کیفیت بسیار باال میباشد که باعث تحقق این امر شده است که عنوان وسایل و ابزار آالت الکترونیکی و نوری مورد استفاده قرار گرفته است. با فاصله باند زیاد آور و بسیار زیاد انرژی 3 / 4ev 60 mev در دمای اتاق و آبی ایفا میکند. با این حال در این کاربردها به و القاء الزام مانند GaN نقش مهمی در ابزار آالت و وسایل نوری فرابنفش نسبت به GaN از چندین مزیت برخوردار میباشد که مهمترین آنها القاء بسیار الزام آور انرژی و قابلیت رشد و بزرگ شدن مواد واحد بلوری )کریستالین( میباشد - 6].[5 و باال اکسید روی یکی از موادی است که به خاطر پتانسیل باال در کاربردهای مختلف در دو دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. اکسید روی نیمه رسانایی با گاف انرژی مستقیم و پهن در حدود 3 / 3 در دمای اتاق است که mev در مقیاس نانو دارای خواصی مانند فوتولومینسانس و لیزر اپتیك غیر خطی و پیزوالکتریسیته مقاومت غیر خطی پایداری دارای نیز بنفش ماوراء اشعه جذب نظر از روی اکسید ذرات نانو است. خوب مکانیکی کاربردهای ویژهای میباشندکه از آن جمله میتوان به کاربرد آنها در پمادهای سوختگی و کرمهای ضدآفتاب به عنوان جذب کننده قوی پرتو UV و فوتوکاتالیست برای حذف آلودگیهای محیط زیست اشاره کرد 7] و 5 و 2]. 2

Downloaded from jicers.ir at 4:22 +0430 on Monday July 23rd 2018 این 2- خواص گرمایی فیلمه یا نازک اکسید روی 1-2- ضریب انبساط گرمایی ضریب انبساط گرمایی یك ماده تغییر شکل شبکه را به عنوان یك تابع دما شرح میدهد. برای ضریبها αa = 4.31 10-6 و αc = 2.49 10-6 موقعیت ضریب انبساط گرمایی و 300 k در تعیین میشوند. عالوه بر این در شکل 1 αth شکل 1- نموداری از ضریب انبساط گرمایی و α th به عنوان یك تابع دمایی نشان داده شده است [10-8]. به عنوان یك تابع دمایی.[8] 2-2- قابلیت رسانش گرمایی قابلیت رسانش گرمایی K (W cm -1 K -1 ) یك نیمه رسانا هنگام بررسی و ارزیابی میزان دما و نیروی زیاد وسایل و ابزارآالت یك ویژگی با اهمیت میباشد. ویژگی جنبش )وابسته به نیرومحرکه( تحت تأثیر آزاد بودن درجه الکترونی درجه چرخش و لرزشی میباشد که به وسیله انتشار و پراکنش فوتون فوتون در یك بلور خالص غالبا محدود میشود. اکسید روی )( مانند دیگر نیمه رساناها حاوی تعداد زیادی نقاط ضعف میباشد که قابلیت رسانش گرمایی آن را به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار میدهند. باالترین مقادیر اندازهگیری شده قابلیت رسانش گرمایی ناشی از تحقیق و مطالعه بر روی نمونههای بزرگ فاز بخار میباشد که قابلیت رسانش گرمایی را بر روی سطوح قطبی مورد اندازهگیری و سنجش قرار میدهد. مقادیر رسانش گرمایی حاصل از این مطالعه 3

شامل 1.16 ± 0.08 W cm -1 k=1.10 ± 0.09 و -1 k و و ± 0.07 1.02 = k حاصل از سنجش و اندازهگیری دو سطح نمونههای مختلف 0.98 ± 0.08 W cm -1 ناشی از سنجش و اندازهگیری در سطح دو نمونهی یکسان و مشابه میباشند. این مقادیر به طور قابل توجهی بیشتر از مقادیر دیگر اندازهگیری شده در محدودهی از k = 0.6 1 W cm -1 کاهش مییابد [12 و 11 و 6 و 2]. میباشند که نوعا Downloaded from jicers.ir at 4:22 +0430 on Monday July 23rd 2018 3-2- گرمای ویژه گرمای ویژه یك ماده تحت تأثیر لرزشهای شبکه حاملهای آزاد و نقاط ضعف ماده میباشد. در یك ماده با بلورهای خالص و کیفیت باال گرمای ویژه عمدتا تحت تأثیر لرزشهای شبکهای میباشد. متأسفانه دادههای بسیار محدودی در زمینهی سنجش و اندازهگیری گرمای ویژه فیزیك یك مقدار از ظرفیت گرمای ویژه را در فشار ثابت موجود میباشد. کتابچههای راهنمای شیمی و Cp = 40.3 J mol -1 ارائه داده است. تحقیق و مطالعهای که توسط الواس و جوپتا شده است میزان گرمای ویژه برای در خالص و تغیر یافته بین 1/7 الی 25 K مورد سنجش و اندازهگیری قرار دادهاند. دادههای مربوط به گرمای ویژه اکسید روی در شکل 2 نشان داده شده است. در این شکل میتوان مشاهده نمود که گرمای ویژه خالص در ناخالصی کمتر از 20 K اختالف پیدا میکند که نتیجهی بهم پیوستن ناخالصیها و نقصها در مرزهای دانه تغیر یافته میباشد [13 و 12 و 7 و 1]. 4-2- خواص نوری اکسید روی شکل 2 -دادههای گرمای ویژه برای خالص )بالك( و تغیریافته )ناخالص(.[8] 4

Downloaded from jicers.ir at 4:22 +0430 on Monday July 23rd 2018 ویژگیهای نوری به شدت تحت تأثیر ساختار پیوند انرژی و پویایی )دینامیك( شبکه میباشد. این مقاله و تحقیق یك چشم انداز کلی و جامع و نیز یك تحلیل و آنالیز جامع از طیف القاء یونی حاصل از ارائه میدهد و بسیاری از نقاط ضعف و نقص مربوط به ویژگیهای طیفی و نیز گسیل شدن جفت الکترونهای دهنده و گیرنده )DPA( را مورد بررسی و ارزیابی قرار میدهد. یك ترک خوردگی )نقص( وسیع مربوط به پیك از توسعه داده میشود که یك ویژگی معمول و رایج نوری در اکسیدروی ~2.8 ev به ~1.9 () بشمار میآید. باتوجه به شناخت نوار سبز رنگ که منشاء لومینسانس ( تابناکی و شب تابی( ناشناخته باقی مانده است که در گذشته این نوار سبز رنگ که منشاء درخشانی است را به نقص و ناخالصیهای مختلف و میزان تغییرپذیری آنها نسبت داده شده است. شکل 3 نوعی از طیف لومینسانس نوع n که در نشان میدهد. القاء یا تحریك یونی 0.2 K DPA میشود. همچنین میتوان عین فوتونهایی که از فوتونهای طولی نوری مورد سنجش و اندازه گیری قرار داده شده است را و افزایش سطح گسیل شدن نوار یا باند سبز رنگ به وضوح مشاهده (LO) علت نبودن دادههای قابل استفاده برای P نوع 14] و 13 و 11 و.[4 تولید شدهاند را مشاهده نمود. به طیف مربوط یا متناظر در اینجا نشان داده نشده است شکل 3- طیف فتولومینسانس )درخشان( بالك نوع- n )القاء یونی )HeCd.[8] در اصطالح بیشتر ویژگیهای مهم و بنیادی نوری تحقیقات و پژوهشهای جامعی برای تعیین و مشخص نمودن شاخص انکساری و ثابتهای الکتریکی این ماده پرداخته است. تمام سنجش و اندازهگیریهای با )( 5

Downloaded from jicers.ir at 4:22 +0430 on Monday July 23rd 2018 استفاده از طیف سنج متریك بیضی انجام شده است. مقادیر و دادههای حاصل از سنجش و اندازهگیری ثابت دیالکتریك در جدول 1 نشان داده شده است. همچنین شاخص تجزیه نور )انتشار( و انکسار نور برای هر دو E c و E c مورد سنجش و اندازهگیری قرار داده شده است که توسط یوشی کاوا و ادوشی محاسبه و در شکل 4 نشان داده شده است. شاخص انکسار نور است 15] -.[12 ورتسیت معموال در حدود nω و = 2.008 ne = 2.029 جدول 1- دادهه یا استاتیك (0 ( ϵ و ثابت دیالکتریك فرکانس باال ( ϵ) برای ارائه شده است. Film Bulk Bulk ϵ0 ϵ E c 7.46 7.77 - E c 8.59 8.91 - E c 3.7 3.6 3.68 E c 3.78 3.66 3.72 بیان شده شکل 4- انتشار و پراکندگی شاخص انکساری برای E c و E c پایینتر از تیزی )لبه( جذب بنیادی است. دایرههای توپر نشان دهنده دادههای طیف بینی ellipsometry و نیز خط یکپارچه نشان دهنده دادههای محاسبه شده میباشند.[8] 3- نتایج 6

k = 0.6 αa = 4.31 10-6 بررسیها نشان داده که برای اکسید روی ضریب انبساط گرمایی در 300 k برابر با 1- k میباشد. همچنین گزارش شده که قابلیت رسانش گرمایی اکسید روی در محدودهی 40.3 J mol -1 متغیر است. ظرفیت گرمای ویژه برای در فشار ثابت برابر با گزارش داده ne = 2.029 nω = 2.008 αc = 2.49 10-6 1 W cm -1 شده است. از طرفی هم شاخص انکسار نور است. ورتسیت معموال و تخمین زده شده Downloaded from jicers.ir at 4:22 +0430 on Monday July 23rd 2018 مراجع 1. Mendil, R., Ben Ayadi, Z., Djessas, K., "Effect of solvent medium on the structural, morphological and optical properties of ZnS nanoparticles synthesized by solvothermal route", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 678, pp. 87 92, 2016. 2. Liu, Z., Li, R., Jiang, R., Li, X., Zhang, M., "Effects of Al addition on the structure and mechanical properties of Zn alloys", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 687, pp. 885 892, 2016. 3. Tao, J. and et al., "Enhanced optical and photocatalytic properties of Ag quantum dotssensitized nanostructured TiO2/ heterojunctions", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 688, Part A, pp. 605 612, 2016. 4. Moulahi, A., Sediri, F., "Controlled synthesis of nano- via hydro/solvothermal process and study of their optical properties", Optik - International Journal for Light and Electron Optics, Vol. 127, No. 19, pp. 7586 7593, 2016. 5. Umar, A., Algarnic, H., Kim, S. H., Al-Assiri, M. S.," Time dependent growth of nanoflowers with enhanced field emission properties", Ceramics International, Vol. 42, No. 11, pp. 13215 13222, 2016. 6. Berge, D. and et al., "Improved photoluminescence emission and gas sensor properties of thin films", Ceramics International, Vol. 42, No. 12, pp. 13555 13561, 2016. 7. Dongying F., Gaoyi H., Yang, F., Zhang, T., Chang, Y., Liu, F., " Seed-mediated synthesis and the photo-degradation activity of graphene hybrids excluding the influence of dye adsorption", Applied Surface Science, Vol. 283, pp. 654 659, 2013. 8. Coleman, V. A. and Jagadish, C., "Basic Properties and Applications of ", Zinc Oxide Bulk, Thin Films and Nanostructures, Chapter 1, pp. 1-20, 2006. 9. Gallegos, M. V. and et al., "Structural and optical properties of and manganese-doped ", Journal of Alloys and Compounds, Available online, 2016. 10. Hou, Q., Zhao, C., Xu, Z., "Effect of Zr doping on the electrical and optical properties of ", Chemical Physics Letters, Vol. 658, pp. 336 342, 2016. 11. Quan, J., Colorado, H. A., Yeh, P. C., Yang, J. M., "Hybridized nanostructures on carbonfiber through combustion synthesis induced by joule heating", Ceramics International, Vol. 42, No. 11, pp. 13053 13060, 2016. 12. Navale, S.T. and et al., " Solid-state synthesis strategy of nanoparticles for the rapid detection of hazardous Cl2, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 238, pp. 1102 1110, 2017. 13. Wang, Y., Ma, Q., Jia, H., Wang, Z., " One-step solution synthesis and formation mechanism of flower-like and its structural and optical characterization", Ceramics International, Vol. 42, No. 9, pp. 10751 10757, 2016. 14. Chrissanthopoulos, A. and et al., "/zeolite hybrid nanostructures: synthesis, structure, optical properties, and simulation", Thin Solid Films, Vol. 555, pp. 21 27, 2014. 7

15. Mao, Y.Z. and et al., "Synthesis of porous spherical nanoparticles and measurement of their gas-sensing property", Materials Letters, Vol. 134, pp. 80 83, 2014. Downloaded from jicers.ir at 4:22 +0430 on Monday July 23rd 2018 8