بررسی خواص فیزیکی نانوساختارهای بر پایه اکسید قلع تهیه شده با فرایند سل- ژل
چکیده
در سالهای اخیر تحقیقات بنیادی و کاربردی روی نانوساختارهای نیمرسانا به دلیل اثرات اندازه کوانتومی و مورفولوژی خاص به شدت مورد توجه قرار گرفته است. خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار متنوع اکسیدهای فلزی، این مواد را برای پژوهشهای بنیادی و نیز کاربردهای صنعتی جذاب ساخته است. این اکسیدها گستره وسیع خواص الکتریکی از عایقها با گاف نواری پهن تا فلزی و ابررسانایی را در بر میگیرند. فیزیک لایه نازک یکی از شاخههای فیزیک حالت جامد میباشد که امروزه به دلیل ساختار ویژه (هندسه دو بعدی و فیزیک سطح) در تکنولوژی سیستمهای پیچیده اپتیکی، الکتریکی و مغناطیسی به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد. فیلمهای نازک اکسید قلع، نیمرسانای نوع n با گاف نواری پهن میباشند. این فیلمها متعلق به دسته مهمی از اکسیدها تحت عنوان اکسیدهای رسانای شفاف میباشند که به علت رسانش الکتریکی خوب، تراگسیل بالا در ناحیه مرئی و بازتابندگی مناسب در ناحیه فروسرخ در تکنولوژی الکترونیک نوری مورد توجه ویژهای قرار گرفتهاند. از این فیلمها بهعنوان الکترودهای رسانای شفاف درابزارهای نوری نظیرسلولهای خورشیدی، دیودهای گسیل کننده نور، نمایشگرهای صفحه تخت، پنجرههای هوشمند وآینههای گرمایی و... استفاده می‌شود. متداولترین روش برای بهبود خواص این نانوذرات ورود آلایندهها به ساختار آنها است. ناخالصیهای متفاوت کاتیونی نظیر روی و فلزات واسطه (mn, co, fe, ni.. ) تاثیر چشمگیری روی خواص الکترونیکی نانوساختارها نظیر گاف نواری و ویژگی فتولومینسانس دارد. از میان کاتیونها آنتیموان (sb) و از میان آنیونها فلوئور (f) تاثیر قابل توجهی روی رسانش فیلمها دارند. با توجه به این حقیقت که کیفیت بالای اپتیکی نیمرساناهای مغناطیسی رقیق برای تبدیل اطلاعات مغناطیسی به سیگنال اپتیکی در دیودهای گسیلنده نور اسپینی و کاربرد در ابزارهای مگنتو-اپتیکی مناسب است اما تاکنون گزارشات چندانی در مورد بررسی تاًثیر غلظت آلایش فلزات واسطه روی ویژگیهای اپتیکی فیلمهای نازک اکسید قلع ارائه نشده است. ضریب شکست نیمرسانای مغناطیسی رقیق شفاف یک پارامتر مهم برای طراحی ابزارهای مگنتواپتیکی است. در فصل دوم رساله به دستهبندی روشهای متداول تهیه فیلمهای نازک اکسید قلع نظیر انباشت فیزیکی بخار، اسپری پایرولیزز و کندوپاش اشاره و بطور اجمالی فرایند سل- ژل، تهیه نانوذرات با اقسام مختلف روشهای سل-ژل و تکنیکهای نهشت فیلمهای نازک با این روش مطالعه می‌شود. روش سل- ژل به دلیل داشتن مزایای فراوان ازجمله دمای پایین فرایند نهشت، یکنواختی و خلوص بالای فیلمها و امکان نهشت سطوح بزرگ و پیچیده با کیفیت خوب از روش های جذاب میباشد. در ادامه فصل دوم به معرفی روشهای آنالیز فیلمهای نازک نانوساختار و تئوریهای معتبر مورد استفاده برای توجیه مشاهدات فیزیکی این رساله پرداخته می‌شود. فیلمهای نازک اکسید قلع نیمرسانای نوع n با گافنواری پهن میباشند. علاقه وافری برای توسعه اکسیدهای نیمرسانای رقیق بر پایه اکسید قلع وجود دارد. برخی از گزارشات ویژگی مغناطیسی فیلمهای نازک اکسید قلع آلائیده با فلزات واسطه نظیر fe، mn، cr، co و ni را در دمای اتاق آشکار ساختهاند. تلاشهای گستردهای برای بهبود رسانش نوع n فیلمهای نازک توسط عناصر ناخالصی sb و f شده است. اما تحقیقات اندکی روی ساخت اکسید قلع رسانای نوع p با کاتیون دارای ظرفیت پایینتر نظیر al، ga،in ، li، sb، in-ga به عنوان ناخالصی پذیرنده صورت گرفته است. اخیراً فیلمهای نازک اکسید قلع آلائیده با فلزات واسطه نظیر fe و co با رسانش نوع p تهیه شده است. این مواد میتوانند به طور همزمان ویزگی فرومغناطیس و رسانش نوع p را از خود بروز دهند. در فصل سوم فیلمهای نازک اکسید قلع آلائیده با عناصر منگنز، کبالت و آنتیموان برای کاربرد در ابزارهای مگنتو اپتیکی، اسپینترونیک و الکترود رسانای شفاف به کمک تکنیکهای غوطهوری و چرخشی سل-ژل تهیه و تاثیر پارامتر مهم غلظت آلاینده (ناخالصی) بر خواص فیزیکی نمونهها با بکارگیری آنالیزهایی نظیر اسپکتروسکوپی uv-vis، ftir، فتولومینسانس (pl)، پراش پرتو ایکس (xrd)، میکروسکوپ نیروی اتمی (afm)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem)، آنالیز اثر هال و ... مورد بررسی قرار میگیرد. تعیین ضریب شکست یکی از خصوصیات بنیادی ابزارهای نوری محسوب می‌شود زیرا به قطبشپذیری الکترونیکی یونها توسط میدان جایگزیده داخل مواد مربوط می‌شود. بنابراین ارزیابی ضریب شکست مواد اپتیکی به عنوان ثابت کلیدی برای طراحی ابزارهای نوری مجتمع نظیر: سوئیچها و فیلترها و مدولاتورها بسیار مهم میباشد. در ادامه از طریق دادههای حاصل از طیف تراگسیل تجربی در گستره طول موج مرئی (nm800-300) و با استفاده از رهیافت کمینهسازی نامقید ثابتهای اپتیکی و ضخامت فیلمها تعیین شد. تاثیر غلظت آلایش روی ویژگیهای اپتیکی، ثوابت اپتیکی فیلم ها، گاف نواری انرژی، انرژیهای پاشندگی و نوسانگر، تابع اتلاف انرژی سطحی، رسانش و چگالی پکیدگی با استفاده از تئوری های معتبر محاسبه و نتایج بهطور جامع مورد بحث قرار گرفت. اکسید سریوم با حفظ تراگسیل اپتیکی بالا و ظرفیت عالی تزریق/خروج یون li+ در حالتهای اکسایش و کاهش خود (3+ و 4+) به سرعت کاربرد گستردهای در ابزارهای الکتروکرومیک (ec) به عنوان الکترود شمارنده غیرفعال اپتیکی پیدا نمود. برگشتپذیری یون لیتیم در اکسید سریوم غیرآلائیده خوب است. اما ورود یونهای li+ به داخل فیلمهای نازک ceo2 بسیار کند است و بنابراین پاسخ ابزارهای الکتروکرومیک محدود است. برای بهبود سینتیک کند واکنش در فیلمهای نازک ceo2، ترکیبات اکسید سریوم با سایر اکسیدها نظیر tio2، sio2، sno2، zro2 و tio2-zro2 تهیه وکاربرد آنها به عنوان الکترود شمارنده مورد بررسی قرار گرفت. در فصل چهارم لایه الکترود شمارنده نانوکامپوزیت سریا-اکسید قلع (ceo2-sno2) با استفاده از روش سل-ژل آلی تهیه و ویژگی الکتروشیمیایی آن با آلایش فلزات واسطه (نیکل، منگنز و کبالت) اصلاح شد. علاوه براین تاثیر ورود یونهای فلز واسطه (نیکل، منگنز و کبالت) روی ویژگیهای ساختاری، مورفولوژی و اپتیکی فیلمهای نازک مورد بررسی قرارگرفت. نانوپودرهای تهیه شده به روش سل- ژل به عنوان فتوکاتالیست و ماده اولیه برای تشکیل هدف در نهشت به روشهای کندوپاش مگنترون و تبخیر توسط باریکه الکترونی و ... بکار می روند. نیمرسانای مغناطیس رقیق (dms) با دمای کوری بالای دمای اتاق به دلیل کاربرد بالقوه آن در حافظه های مغناطیسی، آشکارسازها، منابع گسیل نور و امکان استفاده در ابزارهای اسپیینترونیک نسل آینده بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. آلایش فلزات واسطه در ماتریسهای tio2، sno2، in2o3 و zno با بکارگیری شرایط مساعد رشد به رفتار فرومغناطیس بالای دمای اتاق منجر می‌شود. اکسید قلع (sno2) به دلیل شفافیت اپتیکی بالا، تهیجاهای اکسیژنی ذاتی و چگالی حاملهای بالا یک نیمرسانای مناسب برای ساخت نیمرسانای مغناطیس رقیق است. تحقیقات تجربی متعددی روی مغناطش نانوذرات اکسید قلع آلائیده با فلزات واسطه نظیر fe، ni، co، mn و cr گزارش شده است. نتایج گزارشات روی مغناطش نمونههای تهیه شده توسط روشهای مختلف بحثبرانگیز و چالشی است. در فصل پنچم این پژوهش از روش سل- ژل برای تهیه نانوپودرهای اکسید قلع آلائیده با کروم (cr) و وانادیوم (v) استفاده شد. اثر پارامتر غلظت آلایش ناخالصی روی ویژگیهای ساختاری، مورفولوژی، اپتیکی و مغناطیسی نمونهها مورد بررسی قرار گرفت.