دراسة بعض الخصائص الفيزيائية p - MgxZnO1 - x/n - Si للكاشف الضوئي والمتحسس الغازي == Study of Some Physical Properties of p - MgxZnO1 - x/n - Si Photodetector and Gas Sensor
Author name:
سليم حمزة طرير جبر
Supervisor name:
عبد العزيز عبيد موسى العكيلي
General topic:
Physics
Specific topic:
Physics
Degree:
Doctorate
University:
University of Babylon - College Of Science - Physics Department
Language:
English
University location:
Babylon
First pages:
26T1623 - p.pdf
Abstract:
في هذا العمل تم تحضير اغشيةMgxZnO1 - x باستخدام تقنية الرش الكيميائي الحراري وهي طريقة ملائمة ومناسبة للترسيب على مساحات كبيرة . وتم انماء مزيج محاليل MgxZnO1 - x بنسب حجمية مختلفة (0 ،30 ،50 ،70 و90)% ومرسبه على قواعد زجاجية وسليكونية وعند درجات حرارة مختلفة (400، 450 و500) درجة مئوية وتم تثبيت السمك من خلال تثبيت عدد الرشات وكان سمك جميع الاغشية يتراوح بين (5±80) نانومتر وقد تم اجراء الرش باستخدام غاز النيتروجين . تم تشخيص التركيب البلوري للاغشية بتقنية حيود الاشعة السينية (XRD) واظهرت النتائج ان جميع الاغشية المحضرة كانت متعددة التبلور واظهرت تحسن في البنية البلورية من خلال تغير درجات الحرارة. درست طبوغرافية السطح للاغشية باعتماد مجهر القوى الذرية (AFM) والمجهر الالكتروني الباعث الماسح FESEM)) ومشتت الطاقة للاشعة السينية (EDX). ان زيادة نسبة محتوى المغنيسيوم في الاغشية ادت الى نقصان خشونة السطح . وان (EDX) اظهرت احتواء الاغشية على عناصر( Si، N ،O ، Zn وMg ) كما هو متوقع . تم قياس استطارة رامان لاغشية MgxZnO1 - x/n - Si الرقيقة لمختلف نسب محتوى المغنيسيوم ، حيث اظهرت شدة ذات حزمتين cm - 1(601 و1202) المقابلة الى انماط استطارة رامان ذات الرتبة الاولى العليا E_2^high, ونمط الرتبة الثانية هو A1(LO) وهو نمط الرتبة الاولى بالنسبة لاوكسيد الزنك، اذ انه بزيادة محتوى المغنيسيوم الى اكثر من(50) % فان نمط الرتبة E_2^high سوف تنخفض شدته. وتمت دراسة الخصائص البصرية للاغشية المحضرة من خلال قياس النفاذية البصرية في المنطقة الطيفية (700 - 300) نانومتر، وكانت نتائج النفاذية تتراوح من (89 - 65)% عند زيادة محتوى المغنيسيوم من (30 - 90)% في درجة حرارة (400) درجة مئوية ، وتزداد النفاذية اكثر عند زيادة درجة الحرارة الى (500) درجة مئوية لتصبح من(95 - 84) % عند محتوى المغنيسيوم نفسه مما يجعلها ملائمة لتطبيقات المتحسسات الغازية. وتم قياس الامتصاصية والانعكاسية لجميع الاغشية وكانت تتناقص بارتفاع درجات الحرارة، بالاضافة الى ذلك تم قياس معامل الامتصاص لجميع الاغشية وكانت قيمته اعلى من cm - 1 (104) . وحسبت فجوة الطاقة المباشرة لاوكسيد الزنك النقي وكانت (3.18 ،3.21 و3.19) الكترون فولت التي تقابل درجات الحرارة (400، 450 و500) درجة مئوية على التوالي . وتم حساب الثوابت البصرية كمعامل الانكسار ومعامل الخمود وثابت العزل الحقيقي والخيالي لجميع الاغشية المحضرة. وتم حساب فجوة الطاقة البصرية من خلال مطياف الاستضائية وكانت القيم تتراوح بين (3.558 - 3.531) الكترون فولت، تم دراسة الخصائص الكهربائية كالتوصيلية الكهربائية المستمرة وتاثير هول، واظهرت نتائج قياسات تاثير هول ان غشاء اوكسيد الزنك النقي من النوع السالب (n - type) اما اغشية MgxZnO1 - x فهي من النوع الموجب(p - type) وتمتلك طاقتي تنشيط (Ea1 وEa2). تم قياس سعة كاشف MgxZnO1 - x /n - Si كدالة لفولتية الانحياز العكسي وبتردد يتراوح بين 0.6) (1 - ميكا هيرتز، واشارت تلك النتائج الى ان كاشف المفرق الهجين من النوع الحاد. كما وجد ان جهد البناء الداخلي تنخفض قيمته بزيادة محتوى المغنيسيوم وتزداد عند نسبة محتوى المغنيسيوم (90)% . واظهرت خصائص تيار - فولتية لكاشف MgxZnO1 - x /n - Si ان تيار الظلام الامامي يتغير اسيا مع فولتية الانحياز، كذلك لوحظ تناقص عامل المثالية وتيار الاشباع العكسي بزيادة محتوى المغنيسيوم في الاغشية في حين يزداد عند درجات الحرارة العالية كما تم في هذا العمل دراسة الخصائص الطيفية للكاشف ووجد ان قيم الاستجابة الطيفية ، الكفاءة الكمية والكشفية النوعية تزداد بزيادة نسبة محتوى المغنيسيوم ، بينما القدرة المكافئة للضوضاء تنخفض بزيادة محتوى المغنيسيوم . وظهرت قمم الاستجابية عند الطول الموجي (450) نانومتر وكانت تساوي الى (13.51) A/W وعند الطول الموجي (900) نانومتر وكانت تساوي الى (36.83)A/W . كما تم حساب الربحية للكاشف ووجد ان الكسب يزداد عند ارتفاع درجات الحرارة . وتم قياس تحسسية المتحسس لغاز NO2 في الهواء المحيط في منظومة استشعار الغاز . وتم فحص جميع العينات في نسبة %3 NO2 : الهواء وفولتية انحياز (6 (فولت. وكانت افضل نسبة اشابة لمحتوى المغنيسيوم %(5x=) ، ودرجة حرارة القاعدة السليكونية هي (400) درجة مئوية ودرجة حرارة تشغيل (200) درجة مئوية. وكانت اقصى تحسسية عند هذه النسبة هي (90.80)% وسرعة زمن الاستجابة هو (15.3) ثانية وزمن الاسترجاع هو (42.3) ثانية. | In this work MgxZnO1 - x thin films have been prepared using a chemical spraying pyrolysis (CSP) technique which is an easy and suitable way of deposition over large areas. Mixed solutions have been growth at different volumetric percentages (0, 30, 50, 70, and 90)% and deposited on glass and silicon substrates at temperatures (400,450, and 500) oC. The thickness was installed by installing the number of sprays. The thickness of all the films were (80 ±5) nm, have been using nitrogen gas. The crystal structure was examined by using X - ray diffraction (XRD) technique. The results showed that all the prepared were polycrystalline films, showing improvement in the crystal structure by change at temperature. Topography of the surface of the prepared films have been studied by using atomic force microscope (AFM), field emission scanning electron microscopy (FESEM), and energy dispersive X - ray spectroscopy (EDX). The increase in the percent of Mg - content in the films lead to decrease in surface roughness. (EDX) showed that films contain elements (Si, N, O, Zn, and Mg) as expected. Raman scattering have been measured for MgxZnO1 - x/n - Si thin films at different Mg - content. It exhibits two intense bands at (601 and 1202) cm - 1, corresponding to the E_2^high first - order Raman modes, and second - order mode the A1(LO) first - order mode of ZnO. As it increases Mg - content up to (50)%,the E_2^high mode the decrease in intensity. The optical properties of the films prepared by the optical transmittance measurements in the spectral region (300 - 700) nm. The results of the transmittance rang from (65 - 89)% when increasing the Mg - content from (30 to 90)% at substrate temperature of (400)oC and increased transmittance more when increase the temperature to become (84 - 95)% at the same Mg - content, which makes it suitable for applications gas sensors. Absorbance and reflectivity have been measured which were decreases by increasing temperatures. Absorption coefficient was measured for all the films, and its value more than (104) cm - 1. Direct energy gap was calculated for pure ZnO was (3.18 and 3.21 and 3.19) eV and the corresponding to substrate temperatures (400,450, and 500) oC respectively. The optical constants such as refractive index, extinction coefficient and dielectric constant have been calculated for all preparing films. The optical energy gap was calculated by photoluminescence spectrometer were few sensitive between (3.558 - 3.531) eV. The electrical properties such as D.C electrical conductivity and Hall effect have been studied, results showed measurements Hall that the pure ZnO film was negative type (n - type), while MgxZnO1 - x films were (p - type), and have two activation energies (Ea1,and Ea2). Capacity of MgxZnO1 - x/n - Si photodetector have been measured as a function of voltage reverse bias at frequency ranges (0.6 - 1) MHz. These results indicated that the photodetector is abrupt type. It was found that the value of built - in potential, decreases with increasing Mg - content and increases when Mg - content ratio (90%). The current - voltage characteristics of the MgxZnO1 - x/n - Si under dark conditions showed that forward bias current varied exponentially with voltage bias. The ideality factor and current saturation decreased with increasing Mg - content in the films whereas increased at high temperatures has been noticed. In this work the study of the spectral characteristics of the photodetector MgxZnO1 - x/n - Si and found that the spectral response values, quantum efficiency and specific detectivity increased with increasing Mg - content ratios, while the noise equivalent power (NEP) decrease when the Mg - content is increased. The beaks response appear at (450)nm equal to (13.51) A/W, and (900) nm equal to (36.83)A/W. It has been found that the gain for the MgxZnO1 - x/n - Si increases with increasing temperatures. The sensitivity of the MgxZnO1 - x/ n - Si to (NO2) gas in air ambient has been measured in the gas sensing system. All samples were tested at a ratio 3% NO2 : air and 6V bias voltage. The best ratio dopant of the Mg - content is x=(5)%, (200)oC operating temperature, and substrate temperature (400) oC of the silicon substrate. The maximum sensitivity is (90.80) % , fast response time is (15.3s) and recovery time is (42.3s).
