دراسة تأثير التلدين والتشويب على بعض الخواص البصرية ألغشية كبريتيد الخارصين الرقيقة **سوزان عبد اهلل حسن *زهير ناجي مجيد *عبد المجيد عيادة إبراهيم كلية التربية ـ جامعة تكريت،*قسم الفيزياء كلية العلوم ـ جامعة كركوك،**قسم الفيزياء **Email: [email protected] 1122/21/21:تاريخ قبول النشر 1122/5/8:تاريخ استالم البحث الخالصة من النحاس علـى بعـض الخـواص البصـرية ألغشـية كبريتيـد%21 يتضمن هذا البحث دراسة تأثير التلدين و التشويب بنسة أما الخواص البصرية فقد تم دراسـتاا فـي المنطقـة. الخارصين ( فجوة الطاقة ومعامل االمتصاص ومعامل الخمود ) كدوال لطاقة الفوتون فتم ذلك قبـل، (UV-Visible) ( وذلك باستخدام مطياف من نوع300-900)nm المرئية والفوق البنفسجية في مدى األطوال الموجية من ) وبعد التلدين3.6eV( التلدين والتشويب وبعدهما وأظارت نتائج الفحوصات البصرية أن فجوة الطاقة قبل التلدين والتشويب كانت قيمتاا أما معامال االمتصاص والخمود فأن التلدين قد أدى الى زيادة قيمتاما أمـا التشـويب. ) على التوالي3.47eV,3.7eV( والتشويب أصبحت . فقد أدى الى نقصان قيمتاما . الخواص البصرية، التشويب، معامل االمتصاص، التلدين، معامل الخمود:كلمات الدالة Study the Effect of The Annealing and Doping on the Some Optical Properties of (ZnS) Thin Films Zuheer Naji Majeed* Abdul Majeed Iyada Ibraheem* Suzan Abdullah hasan** *Department of Physics - College of Education - Tikrit University **Department of Physics - College of science – Kirkuk university Received date:8/5/2011 Accepted date:13/12/2011 Abstract In this research we study the effect of Annealing and doping by 10% Cupper on some optical properties of (ZnS) thin films (energy gap, absorption coefficient , extinction coefficient) as a function of photon energy .The optical properties were studied through Visible and Ultra-volit wavelength range (300-900nm) using UV-visible spectrometer, these properties were studied before and after annealing and doping . It is found that the energy gap was (3.6eV) before annealing and doping but after annealing and doping it is found (3.7eV, 3.4eV) respectively. Absorption and extinction coefficient increased after annealing and decreased after doping . Key words: coefficient extinction , annealing , coefficient absorption , doping , optical properties 1 المقدمـــة يستخدم مصطلح األغشية الرقيقة لوصف طبقة أو طبقات عديدة ) ) Layersمن ررات المنادة ي يتىند سمكها مايكرومتر واحد أو عدة نانومترات ,وألنها رقيقة وهشة (سهلة الكسر ) يجب ترسيبها على مادة صلبة مثن الزجاج أو السليكو أو بىض األمالح أو البوليميرات ,تمتلك األغشنية الرقيقنة خصناوم وممينزات ي تكنو مننتوفرة في تراكيب المواد األخر ,فحقيقة سمكها المتناهي في الصغر وكبر نسبة السطح إلى الحجم منحتهنا تركيننننبا" فيزياويا" فريدا" يضاهي تركيب أحادية البلورة أحيانا [1] .ويفوقها أحيانا" أخر ,وتتمتن األغشنية بخصاوم فيزياوية تختلف ع خصاوم المواد المكونة لها وهي في حالتها الحنجمية (.[2]) Bulkوتىتبنر تقنينة األغشية الرقيقة واحدة م أهم التقنيات التي ساهمت في تطور دراسة أشباه الموصالت و أعطت فكرة واضحة عن الىديد م خواصها. الجزء النظري: إ جمي األجهزة اإللكترونية الحديثة تىتمد اعتمادا كليا " في عملها على مواد رات خصاوم فيزياوية وكيمياوية خاصة بالمواد شبه الموصلة التي تمتلك خوام الىواز عند درجات الحرارة المنخفضة ولننها القابننلية عنلى التوصي الكهرباوي عندما ترتف درجة حرارتها الى حدِ مىي .إ دراسة خوام أية مادة على شك أغشية رقيقنة كما هو مىروف م المواضي المهمة جدا" ,إر إ المادة عندما تكو بشك غشاء رقيق تمتلك استىمايت وتطبيقات في الىلوم والصناعات كافة يسيما أ علم اإللكترونيات الحديث يقوم اآل على استىما المادة على هيونة أغشنية رقيقة وخاصة في الدواور الكهرباوية المتكاملة وأجهزة الحاسوب وفي الخاليا الشمسية والضووية ,وم رلك استخدمت إلزالة تأثير الغيوم في مجابهة الطياري في الحرب الىالمية الثانية ,واستمرت بحوث مكثفة وموسىة للتىنرف علنى خوام المواد شبه الموصلة وتركيبها وبناوها ( البلوري ) وإمكانية ايستفادة القصو منها عمليا" وأثمرت هنره البحوث ع تصني المقومات ( ) Rectifiersعام 1886والنثناوية) ) Diodeوالثناويات الضووية ( ) Photodiodeوالترانزستور عام .[3]5791واستنتج الباحثو أ ضوء الشمس يمك أ يحو مباشنرة إلنى طاقة كهرباوية بواسطة الخاليا الشمسية .وقد صنىت أو وبكفاءة تحوي خلية شمسية م األغشنية الرقيقنة من ()CuS, CdS %1على أيدي الىالم Shirlandوجماعته عام [4] 1954ولزيادة كفاءة الخلية الشمسية مثال" تطلنى 2 الخاليا الضووية بأغشية رقيقة م مواد شبه موصلة رات مواصفات مىينة م اج امتصاصها جزءا" من الطاقنة وعكسها الجزء اآلخر وهره الخاصية تىتمد على مقدار فجوة الطاقة الممنوعة ولما كانت أشىة الشمس تقن ضنم الجنزء المروي م طيف األشىة الكهرومغناطيسية وألج التحكم بمقدار ما يمتم م الطاقة أو ما ينىكس منها يجنب أ نختار مواد شبة موصلة تقار فجوة طاقتها الممنوعة بطاقة الفوتونات ضم الجزء المروي م الطيف .وفي بحثننا هرا سنتطرق لبىض الخوام البصرية التي تم دراستها وهي فجوة الطاقة: تىرف فجوة الطاقة بأنها الطاقة الالزمة إلثارة (نق ) ايلكترونات م قمة حزمة التكافؤ الى قىر حزمة التوصي ,أو هي فسحة الطاقة الموجودة بي حزمتي التكافؤ والتوصي ,وقد سميت بالمحظورة أو الممنوعة ألنها مكا خالي تقريبا م المستويات وي تستقر فيها ايلكترونات في اشباه الموصالت النقية وإنما تتواجد فيها لفترة زمنية قصيرة جدا في اشباه الموصالت المشوبة وهره الفجوة تحدد نوع المادة ألصلبة] .[5حيث تىد واحدة م أهم الثوابت البصرية التي يىتمد عليها في فيزياء أشباه الموصالت لتصني الىديد م النباوط ايلكترونية مث الخاليا الشمسية و الكواشف والثناويات الضووية وغيرها .ويتم اختيار مواد شبه موصلة طاقة فجوتها الممنوعة تقار بطاقة الفوتونات ضم الجزء المروي و UVو IRم الطيف الكهرومغناطيسي ,ورلك للتىرف على مقدار ما ينفر أو يمتم أو ينىكس م الفوتونات المؤثرة على الغشاء] .[6تم حساب فجوة الطاقة الممنوعة لالنتقا المباشر المسموح م الىالقات ايتية ][7 )αһν = A (һν -Eg)r -------(2 حيث إ α :مىام ايمتصام ν -تردد الشىاع الساقط һ -ثابت بالنك – Aثابت – Egفجوة الطاقة )) ------(3 وبتبسيط المىادلة لالنتقا المباشر نحص على g (αһν)2 = A2 (һν-E :rمىام أسي يىتمد على نوع اينتقا .ارا كانت 5/2 =rانتقا مباشر مسموح .أو 3/2 =rانتقا مباشر ممنوع اما ارا كانت 2 =rانتقا غير مباشر مسموح أو 3 =rانتقا غير مباشر ممنوع 3 حيث إ قيمة rهنا هي ½ . معامل االمتصاص: يىرف مىام ايمتصام ( )αبأنه نسبة النقصا في فيض طاقة اإلشىاع بالنسبة لوحدة المسافة باتجاه انتشار الموجة داخ الوسط ,ويىتمد على طاقة الفوتونات الساقطة ,الطو ألموجي ,طبيىة سطح الغشاء و فجوة الطاقة لشبه الموص ونوع اينتقايت اإللكترونية التي تحدث بي حزم الطاقة] [8تم استخدام المىادلة اآلتية لحساب مىام ايمتصام للغشاء المستخدم في البحث][9 )α=2.303A/t ----------- (4 ايمتصاصية :(cm-1).A :مىام امتصام مادة الغشاء : (1100A˚). سمك الغشاء الرقيق tحيث ا : معامل الخمود : يىرف مىام الخمود الحاص للموجة الكهرومغناطيسية داخ المادة بأنه كمية ما تمتصه إلكترونات المنادة م طاقة الفوتونات الساقطة .تم حساب مىام الخمود م قيم ايمتصام المحسوبة م طيف ايمتصاصية للغشاء المستخدم و حسب المىادلة اآلتي]. [7 (-----)5 حيث ا : K˚ :مىام الخمود : .الطو ألموجي لإلشىاع الساقط (. )nm K˚ = α λ/ 4π المركب (-:) ZnS كبريتيد الخارصي م أشباه الموصالت يىود الى المجموعتي ( ) II-VIوهو مركنب مهم حيث يستخدم في Electro-Luminescence Solar Cellوالتطبيقات الكهروبصرية األخر ]. [10يستخدم في الصناعة وعلى مد واس في صناعة األصباغ والشم والزجاج األبيض غير الشفاف ,ويكو أساسا في صناعة الشاشات التلفازية وفي تكوي اللداو المطاطية ويستخدم في إضاءة وتوهج وجوه الساعات ,كما انه مبيد للفطريات ,لرا فهو يسنتخدم فني صناعة المراهم الطبية الخاصة برلك] [11ويوضح الشك ( ) 1التركيب (. ) ZnS 4 شكل ( ) 1التركيب البلوري للمركب (.[12]) ZnS – aالتركيب البلوري لركائز الزنك – b Zinc Blendالتركيب البلوري لسداسي األضالع Hexagonal التلدي -:وهي عملية تىريض الغشاء الرقيق الى درجة حرارة مىينة ولفترة زمنية محددة ][13 الجزء العملي: لتحضير محلو ZnSتستخدم نترات الخارصي الماوية Zn(No3)26H2oالحاوية على 6ررات ماء رات وز مكافئ ( ) 297.47ويراب بحجم مناسب م الماء المقطر فيصبح المحلو مصدر ييونات الخارصي )Zn(+2 أما مصدر ايونات الكبريت )S(-2فنحص عليه م مادة الثايوريا )SCNH2(2ويمزج المحلولي بنسب متساوية وتراب هره الكمية م (100)mlم الماء المقطر وبدرجة حرارة الغرفة ()R.Tويوض المحلو على خالط مغناطيسي Magnetic stirrerلمدة يتق ع )15(minللتأكد م إرابة المادة بشك تام ثم يترك لمدة ساعة للتأكد م عدم وجود ترسيب للمادة بىدها يتم ترشيحها عبر ورقة ترشيح .فنحص على محلو راوق متجانس عديم اللو بىياريه ( .)0.1اما ايشابه فقد تمت بطريقة ايرابه بالمحلو ( ) Doping by melting solutionورلك بإرابة نفس الكمية م نترات النحاس )1.4(gmوهي حبيبات زرقاء اللو م (100)mlم الماء المقطر وم ثم وضىها على الخالط المغناطيسي لمدة )30(minثم يترك لمدة ساعة للتأكد م عدم وجود رواسب للمادة ثم ترشح وتخلط نسب م المادة الشاوبة م محلو ZnSو بالمقدار التالي 10:90نسبة التشويب حيث إ النسبة 79هي ( )ZnSونسبة 59هي النحاس .وحسب المىادلة اآلتية: ZnS )ٍ +2NH4No3 + CO 2 ↑ +4H2O --(1 → CS(NH2)2 Zn(NO3)2 6H2O + وفي هرا البحث أجريت المىاملة الحرارية باستخدام فر حراري نوع ] . [Maxi-Centurion-Germanyقب وض النمورج تم تشغي الفر لمدة ساعة للتخلم م غاز األوكسجي و الشواوب وللحصو على استقرارية في درجة الحرارة وقد أجريت المىاملة الحرارية لألغشية بدرجة) (400Coولمدة ساعة . النتائج والمناقشة 5 فجوة الطاقة : تم حساب فجوة الطاقة البصرية لالنتقا المباشر المسموح م الىالقة ( )3ورلك برسم الىالقة بني (αһν)2كدالنة لطاقة الفوتو وبي ) ) hvوا تقاط امتداد الجزء المستقيم م المنحني م محور طاقة الفوتو يمثن قيمنة فجنوة الطاقنة البصرية .وم مالحظة األشكا ( )2,3,4لتغير فجوة الطاقة كدالة لطاقة الفوتو لالنتقا المباشر المسموح لغشاء ZnSقبن وبىد ( التلدي و التشويب ) نر با فجوة الطاقة للغشاء النقي هي ( )3.61eVثم زادت بزيادة درجة حرارة التلندي لتصن النى ()3.7eV ويىود سبب الزيادة إلى تقلي المستويات الموضىية الموجودة داخ فجوة الطاقة أي بي حزمتي التكافؤ والتوصي وكرلك زيادة تبلور المادة وتقلي الىيوب البلورية بسبب النماء البلوري الحاص لررات مادة الغشاء .وبىد عملية التشويب نالحظ با قيمنة فجوة الطاقة قد انخفضت الى ( )3.47eVمما يد على أ عملية التشويب قد أدت الى ظهور مستويات موضىية في المنطقنة المحصورة بي حزمة التكافؤ والتوصي أدت الى تقلي طاقة الفوتو المطلوبة لحصو اينتقايت ايلكترونية المباشنرة ممنا يجى انتقا ايلكترونات م حزمة التكافؤ الى حزمة التوصي أسه وهره القيمة تتفق م نتاوج الباحثي ][14,15 6 4 3 2 1 0 4 3.9 3.8 3.7 3.6 3.4 3.5 3.3 )hv (eV الشكل ( )2فجوة الطاقة قبل التلدين والتشويب 6 3.2 3.1 3 (αhv)2 cm-1 eV x108 5 1 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 (αhv)2 cm-1 eV x108 0.9 0.1 4 3.9 3.8 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.3 3.4 3.2 3 3.1 )hv (eV شكل ( )3فجوة الطاقة بعد التلدين بدرجة حرارة ( )300C° 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 4 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3 )hv (eV شكل ( )4فجوة الطاقة بعد التشويب بنسبة ( )10% معامل االمتصاص : تم حساب مىام ايمتصام م خال الىالقة (. (4وم مالحظة الشك ( )5نجد أ التلدي أد الى نقصا مىام ايمتصام ويىز رلك لزيادة تبلور المادة التي بدورها تقل الىيوب البلورية .أما عملية ايشابه أدت إلنى زيادة مىام ايمتصام بسبب تولد مستويات مانحة داخ فجوة الطاقة قريبة م حزمة التوصي عند ايشابة وهنرا يتفق م الباحثي ].[16,17 7 After Doping 0.4 Before Annealing and Doping 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Absorption C0fficient After Annealing 0.35 0 3.8 4 3.4 3.6 3 3.2 )hv (e V شكل( )5معامل االمتصاص قبل التلدين والتشويب وبعد التلدين والتشويب معامل الخمود ): (K0 تم حساب مىام الخمود م قيم ايمتصام المحسوبة م طيف ايمتصاصية للغشاء الرقيق ) (ZnSم خال الىالقنة ( . )1نالحظ م الشك مشابها"لسلوك مىام ( )6أ الغشاء قب ايمتصام حيث تق التلدي وبىده وبىد التشويب أ َّ مىام قيمته بىد التلدي خموده يسلك سلوكا" وتزداد قيمته بىد التشويب ورلك لوجود عالقنة طردية بينهما وحسب الىالقة ( .)1وهرا يتفق م الباحث ].[18 After Doping Before Annealing and Doping 0.012 After Annealing 0.008 0.006 0.004 0.002 0 4 3.8 3.4 3.6 )hv (eV شكل ( )6معامل الخمود قبل التلدين والتشويب وبعد التلدين والتشويب االستنتاجات -5التلدي اد الى زيادة فجوة الطاقة . 8 3.2 Extinotion Cofficient 0.01 . التشويب اد الى إنقام فجوة الطاقة-2 . التدي اد الى نقصا قيم مىام ايمتصام والخمود-3 . التشويب اد الى زيادة مىام ايمتصام والخمود-4 المصادر 1- J. I., Ponkove, (1971), "Optical Processes in Semiconductors"1sted, Prentice-Hall, Inc, New JERSEY , pp. (34-36). 2- K.L.,Chopra,.S,Major and D.K.pandya(1983), “Transparent Conductors Astatus Review” “ Thin Solid Films” , Vol (1),(102) p. 3- A.I.,Fedrov Y.,Gorodetskii, G.S., Pekar and M.K.Sheinkman.(1975),"Physics of Semiconductors"1sted . Vol. (9), ( 646)p. 4- F.A Shirland.(1976) , “Solar Cells”. 1sted edited by Bachus C.E. IEFF press NewYork , (36)p. 5- T.Nasrallah.Ben,M.Amlouk.,.J.C.,Bemede,.S.Belgacem(2004),"Physica status Solidi", Vol.201, Iss14, pp. (3070-3076). ) "دراسة الخوام البصرية والتركيبية ألغشية أوكسيد الكادميوم النقية والمشوبة2992(. ,عبد الجبار. نيرا فاض-6 .65م.كلية التربية جامىة تكريت., رسالة ماجستير," قب وبىد التلدي 7- J . S. Blakmore, (1986),“ Solid State Physics”, Gambridge Press .2nd .ed. (45)p. 8- j.Lonkhande, C.D,Yermune.,V.S Pawar (1988),".Materials Chemistry and Physics" 9 Vol.(20), N.(3), pp.(283-292). 9-R. S Longhrst,( 1967 ). "Geometrical And Physical Optics " Longman Group LTD , Londoun- 2nd ed , (112)p . 10- C.A, Hogart and A.L. ,Wright (1968),“Proceeding of international conference of semiconductors" ,Moscow, (213)p. 11- S.N. Saha and S. Chandra(1987), "Solar Cell" ,Vol. (2),Iss (3), p. (165). 12- L Pintilie, E.pentia, I. pintilie and D. petre, (1997), "Materials science and Engineering ",Vol.(7), pp. (403-420). 13- G. Yaron and L.D. Hess, Application Of Laser Annealing Techniques To Increase Channel Mobility In Siliconon Sapphier Transistor, J. Apple. phys. Lett Vol 36., No.3 pp. (2 -220 ) 1980. )"دراسة تأثير التشويب بالنحاس على بىض الخوام البصرية2997 ( خالد حماده, ياسي-54 كلية التربية جامىة. الرقيقة والمحضرة بطريقة الرش الكيمياوي الحراري" رسالة ماجستيرZnS والتركيبية ألغشية .47تكريت م ) " دراسة تأثير التشويب بالنيك على الخوام البصرية والتركيبية ألغشية2997(. محمند شريف, محمند-51 . 69كلية التربية جامىة تكريت م. النقي المحضرة بطريقة الرش الكيمياوي " رسالة ماجستيرZnS كبريتيد الخارصي . )ZnS( ) ولغشاء مادةPbS()" دراسة الخوام التركيبية والبصرية لغشاء مادة2991(. صابر جاسم, محمد-56 .22 م, كلية التربية جامىة تكريت. رسالة ماجستير الرقيقةPbs ) "دراستة الخصاوم البصرية والكهرباوية يغشية2996 (.صالح طه, محمد-59 الرقيقة بطريقة الرش الكيمياوي الحراري "رسالة ماجستير مقدمة الى كلية الىلومZnS على . 99 م.الجامىة المستنصرية 18- Al-Jubory A. ,Alaa.(2005)"Study the structural and Optical properties of Zni-xPbxS thin Films which preparing by Chemical spray P yrol ysis", N.Sc.Thesis , Gollage of Since , Al -Anbar Universit y, p (44). 10
© Copyright 2025