بررسی خواص فیزیکی نانوساختارهای بر پایه اکسید قلع تهیه شده با فرایند سل- ژل

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.