خواص درجه تبلور نوری و الکتریکی نانومیله های ZnO

خواص درجه تبلور نوری و الکتریکی نانومیله های ZnO – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

 ملاحظاتی در مورد درجه تبلور و خواص نوری و الکتریکی نانومیله های  ZnO بازپخت شده پس گرمایی

چکیده

نانو میله های شش وجهی  ZnOبه روش آب گرمایی (هیدرو ترمال) دما پایین ساده و با استفاده از ZnCl₂  و آمونیاک آبی بعنوان  واکنشگر تهیه شده اند. خواص درجه تبلور، درخشندگی نوری (نقصهای اتمی) و انتقال بار ZnO می تواند بوسیله بازپخت پس گرمایی (در محدوده دمایی °C500-200 تحت اتمسفر آرگون) تنظیم شود. این نکات معلوم شده که (۱) درجه تبلور نانو میله ها با افزایش دمای بازپخت در ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد و دمای بازپخت نوری در حدود °C300 تشخیص داده شده است، (۲) نانو میله های دارای بالاترین درجه تبلور، بالاترین شدت درخشندگی نوری وبالاترین نسبت شدت نشر لبه نوار به شدت نشر نقص مربوطه را نشان میدهند، (۳) نانو میله ها در هنگام فرآوری بازپخت بجای نیم رسانا شدن، رسانا می شوند و
نانو میله های دارای بالاترین درجه تبلور و بالاترین شدت درخشندگی نوری، بالاترین چگالی جریان را نشان می دهند. این ملاحظات دیدگاههایی را برای تنظیم خواص نوری- الکترونی (اپتو- الکترونی)جهت کاربردهای مختلف فراهم می کنند.

کلمات کلیدی: اکسید روی، آنیلینگ / باز پخت

خواص درجه تبلور نوری و الکتریکی نانومیله های ZnO

۱- مقدمه

نانو فوتونیک و نانوالکترونیک شامل نانوساختارهای ZnO از اهمیت قابل توجهی برخوردارند] ۳-۱[. این نکته معلوم شده که ZnO یک نیم رسانای ذاتی نوع n با شکاف نوار پهن ۳/۳۷eV و انرژی پیوندی برانگیختگی بزرگ meV60 می باشد. کابردهای فراگیر نانو ساختارهای ZnO در ابزارهای نشردهنده نور ]۸-۴[، آشکار سازهای نوری ]۱۱-۹[، ابزارهای فوتو ولتایی]۱۵-۱۲[ و حسگرهای شیمیایی/ زیستی] ۱۷و۱۶[ نشان داده شده اند. این مطلب کاملا”معلوم شده که خواص نوری و الکتریکیZnO  می توانند بوسیله دوپه کردن]نوعی رسوب کردن- مترجم[ عمدی و سهوی] ۲۱-۱۸[ تنظیم شوند. ضمنا، پیگیری نانو مواد ZnO که خواص مطلوب و بی‌سابقه ای نشان می دهند و تداوم کاربردهای آنها کاهش نیافته است]۲۷-۲۲[ .

 از میان انواع زیاد روشهای سنتز نانو ساختارهای ZnO ، راهکار رشد آب گرمایی/ حلال گرمایی یکی از جذاب‌ترین روشهاست.که علت آن، سهولت سنتز، تکرارپذیری بالا و تجهیزات کم هزینه می باشد. گرچه این نکته معلوم شده که رشد آب گرمایی/ حلال گرمایی موفقیت آمیز به پارامترهایی نظیر نوع منبع، غلظت منبع و دمای رشد وابستگی دقیقی دارد، این وابستگی، کنترل مورفولوژی (ریخت شناسی) نانو ساختارها را با تنظیم دقیق این شرایط واکنش امکان‌پذیر می سازد. اخیرا خواص انتقال بار محیط قطبی و درخشندگی الکتریکی ناحیه مرئی را برای ترانزیستورهای اثر میدانی (FET ها) با استفاده از نانو میله های ZnO رشد کرده بصورت آب گرمایی به عنوان مواد فعال گزارش کرده ایم ]۲۸[. چنین یافته هایی قابل توجه هستند زیرا این مطلب عموما معلوم شده که  ZnOدوپ نشده یک نیم رسانای ذاتی نوع n می باشد و توضیح ممکن برای رفتار انتقال بار محیط قطبی، حضور نقصهای اتمی می باشد. یک روش برای تایید این نظریه، انجام آزمایشهای بازپخت پس گرمایی بر روی نانو میله ها می باشد زیرا بازپخت اصولا درجه تبلور نمونه را افزایش داده و مواد دارای نقص کمتر را تولید می کند. در این تحقیق، ما فرآوری بازپخت پس گرمایی را بر روی نانو میله های ZnO انجام داده ایم و تغییرات قابل توجهی را در خواص درجه تبلور، نوری و انتقال بار مشاهده کرده ایم. این نکات مهم معلوم شده است که (۱) درجه تبلور نانو میله ها با دمای بازپخت در ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد. (۲) نانو میله ها ی دارای بالاترین درجه تبلور، بالاترین شدت درخشندگی نوری و بالاترین نسبت شدت نشر لبه نوار به شدت نشر نقص مربوطه را ارائه می دهند. (۳) نانو میله ها در هنگام فرآوری بازپخت بجای نیم رسانا شدن، رسانا می شوند و نانو میله های دارای بالاترین درجه تبلور و بالاترین شدت درخشندگی نوری، بالاترین چگالی جریان را نشان می دهند.

خواص درجه تبلور نوری و الکتریکی نانومیله های ZnO

۲- بخش تجربی

یک ویفر سیلیسیومی در داخل اتوکلاو فولادی ضد زنگ با آستر تفلون با ظرفیت ml20 قرارداده شد و مخلوطی از ml.0/5 محلول NH₃  آبی ۲۵% ، mg65 روی کلرید و  ml5  آب فاقد یون به آن اضافه شد (تمام واکنشگرها دارای خلوص ۵/۹۹% > بودند). درب اتوکلاو کاملا بسته شد و به مدت ۹۰ دقیقه در یک آون (کوره کوچک) در دمای ۹۵ °C قرار داده شد. با سرد شدن اتوکلاو در دمای اتاق به مدت ۴ ساعت، درب اتوکلاو باز شدو ویفر سیلیسیومی جمع آوری شد، با آب فاقد یون شسته و تحت بخار آرگون خشک شد. نانو میله‌هایZnO  سنتز شده بوسیله میکروسکوپ پویشی الکترون  Philips X L30ESEM-FEG و پراش سنج پرتو X پودری Bruker AXS D8 ADVANCE   شناسایی گردیدند. اندازه‌گیری‌های درخشندگی نوری در دمای اتاق توسط یک اسپکتروفلوئورومتر فلوئورولوگ (Fluorolog) (HORIBA Jobin Yvon) انجام شد. ویفر سیلیسیومی محتوی نانو میله های ZnO  سنتز شده، در داخل یک رآکتور کوارتزی گذاشته شد و رآکتور بوسیله یک کوره در دمای بازپخت مطلوب (۲۰۰،۴۰۰،۳۰۰، و °C500) تحت جریان گاز آرگون (sccm50، خلوص   ۹۹۵/۹۹% > Ar)  در فشار یک اتمسفر به مدت ۲ ساعت حرارت داده شد. سپس، رآکتور به صورت طبیعی تا دمای اتاق سرد شد و ویفرها برای اندازه‌گیری های دیگر جمع آوری شدند.

یک ترانزیستور اثر میدانی (FET) با ساختار عمومی سوبسترا- ورودی ساخته شد. لایه اکسیدی SiO₂ ورودی (۱۰۰nm، نفوذپذیری نسبی =۹/۳) به صورت گرمایی بر روی سوبسترای سیلیسیومی نوع n شدیدا دوپ شده (الکترود ورودی) رشد کرد. برای تشکیل یک دهانه بر روی لایه مقاومت نوری جهت آرایشهای منبع و خروجی بر روی اکسید ورودی از تکنیک فوتو لیتوگرافی معکوس تصویر استفاده گردید. لایه های فلزی منبع و خروجی که شامل فیلم چسبنده Ti (10nm، پایین تر)و فیلم رسانای Au(50nm، بالاتر)بود، بوسیله تبخیر گرمایی رسوب کردند. طول و عرض کانال ابزارها به ترتیب ۲ و ۷۰۰mm بودند. پس از رسوبگذاری فیلم فلزی، برای زدودن فیلم از روی آرایش مقاومت نوری، فرآیند کنده شدن استاندارد انجام شد و پشت آرایشهای تماسی منبع / خروجی Au/Ti آزاد باقی ماند. بر روی سوبستراهای آرایش یافته، سوسپانسیون متانولی ZnO ریخته شد و خصوصیات خروجی و انتقالی ترانزیستور در داخل یک جعبه دستکش دارای موقعیت ردیابی با استفاده از آنالیزگر پارامتری نیم رسانای Keithley K4200 اندازه‌گیری گردید.

خواص درجه تبلور نوری و الکتریکی نانومیله های ZnO

۳- نتایج و بحث

در این تحقیق، آرایه های نانو میله ای شش وجهی ZnO به روش آب گرمایی سنتز شده اند. در یک روش نوعی، رشد آب گرمایی بوسیله حرارت دادن محلول آبیZnCl₂  و _۳NH در دمای °C95 انجام شد. نانو میله‌های  ZnO  می توانند با فرو بردن یک ویفر سیلیسیومی در انتهای اتوکلاو فولادی ضد زنگ با آستر تفلون و با رسوب کردن نانو میله های رشد کرده بر روی ویفر به آسانی جمع آوری شوند. اندازه قطر و طول این نانو میله ها به ترتیب nm900-800 و mm 15-10 می باشند. شکل ۱ طیف پراش پرتو (XRD)X نوعی آرایه‌های نانو میله ای را نشان می دهد که در آن پیکهای مخصوص مربوط به فاز شش وجهی ZnO( گروه فضائی P6₃ mc، a = 0/3249 nm، c = 0/5206 nm، کمیته  ارتباط برای استانداردهای پراش پودر (JCPDS) شماره کارت ۱۴۵۱- ۳۶ ) مشخص است. مطالعات پرتو X پخش کننده انرژی (EDAX) بر روی نمونه ها، حضورZn  و O با نسبت اتمی Zn:O برابر با ۵۲:۴۸ (۱:۱~)را نشان می دهد و هیچ عنصر دیگری شناسایی نمی شود.

طیفهای نرمالیزه شده (PL) آرایه های نانو میله ای ZnO را که در دماهای مختلف باز پخت شده نشان می دهد. طیف (PL) نمونه رشد کرده (باز پخت نشده) یک نشر پهن قوی در (۲/۲۲eV)l_max=558 nm و یک نشر لبه نواری ضعیف در (۳/۲۵eV)l_max=381nm را نشان میدهد_.  این نکته کاملا” اثبات شده که  ZnOدوپ نشده می تواند در نواحی UV و مریی (سبز تا زرد) نور نشر کند. نشرUV  به باز ترکیب مستقیم نشر برانگیخته تولید شده با نور نسبت داده می شود در حالیکه منشا نشرهای سبز تا زرد مورد بحث می باشد. توضیحات متداول برای این نشرهای مریی شامل گذار بین حفره های برانگیخته نوری و جای خالی اکسیژن یونیزه شده مجزا] ۳۰ و ۲۹[، اکسیژن ضد موقعیتی (آنتی سایت)]۳۱[ و کمپلکسهای دهنده ـ گیرنده]۳۳و۳۲[ می باشند. گرچه نشر مریی حاصل از ZnO نمی تواند به طور کامل بوسیله یک نوع نقص تنها توضیح داده شود، نسبت بزرگ شدت نشر زرد به شدت نشر لبه نوار در طیف PL این نکته را بیان می کند که نانو میله های رشد کرده از نظر نقصهای اتمی غنی هستند]۳۵و۳۴[ و این نکته معلوم شده که این نقصها به روشهای مختلف قابل تنظیم هستند]۳۶و ۱۸[_. همانگونه که در شکل ۳ نشان داده شده،..

برای مقایسه شدت درخشندگی مطلق، بازپخت چند مرحله ای را بر روی همان نمونه ها انجام دادیم. طیفهای

PL به دنبال بازپخت نانو میله ها در دماهای از ۲۰۰ تا ۵۰۰°C در مراحل ۱۰۰ درجه ای تحت همان شرایط تجربی ثبت گردیدند و طیفهای PL آنها در شکل ۴ نشان داده شده اند. این نکته جالب توجه است که شدت مطلق نشر لبه نوار ( l_max=381nm) همان ملاحظاتی را که در مطالعات  XRDدیده شدند، نشان می دهند. در مطالعات XRD این مطلب نشان داده شد که شدت نشر لبه نوار با افزایش دمای بازپخت ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد و نانو میله های بازپخت شده در دمای °C300 بالاترین شدت نشر  UVرا نشان
می دهند.

برای بررسی خواص انتقالی نانو میله ها،  FETهای دارای تماس انتهایی با استفاده از نانو میله های ZnO به عنوان مواد لایه ای فعال ساخته شدند و شکل ۵ تصویر میکروسکوپی پویشی الکترون (SEM) نوعی، از این ابزارها را نشان می دهد. در تحقیق قبلی ما، اندازه‌گیری جریان- ولتاژ حاصل از یک ابزار FET نشان داد که نانو میله های ZnO دارای رفتار محیط قطبی می باشند که این امر احتمالا به علت وجود نقصهای اتمی       می باشد]۳۹-۳۷و۲۸[. پس از بازپخت نانو میله ها در دمای ۲۰۰°C، نانو میله ها هنوز خواص انتقالی محیط قطبی را نشان می دهند، (شکل ۶) که این رفتار همانند رفتار میله های ZnO بازپخت نشده می باشد. گرچه در مورد این ابزارهای FET نانو میله ای رفتار غیر اشباع شدگی یافت می شود، یک اثر دریچه ای(دروازه ای) بر روی جریان خروجی مشاهده می گردد. چون اشباع شدگی جریان خروجی حاصل نمی شود، تحرک
بار- حامل از روش خطی و با استفاده از رابطه I_D,lin  با v_G  استخراج می شود.

خواص درجه تبلور نوری و الکتریکی نانومیله های ZnO

۴- نتایج

ما تغییر قابل توجه درجه تبلور و خواص نوری و انتقال بار نانو میله های ZnO در اثر فرآوری بازپخت پس گرمایی را نشان داده ایم. شدت مطلق نشر لبه نوار (l_max=381nm) همان ملاحظات مربوط به مطالعات XRD را نشان داد و نانو میله های بازپخت شده در دمای ۳۰۰°C بالاترین شدت نشر UV را نشان دادند. اندازه‌گیری های PL نشان دادند که ماهیت نقصها در نمونه های باز پخت شده در دماهای مختلف، متفاوت است. علاوه بر این، نانو میله های بازپخت شده رفتار اهمی همراه با چگالی جریان بزرگی را نشان دادند که این رفتارها با نتایج XRD و نیز با اندازه‌گیریهای PL کاملا” سازگار است. بطور کلی، درجه تبلور، نقصها و خواص انتقال بار نانو میله های ZnO می توانند در اثر بازپخت پس گرمایی تغییر کنند.