الخصائص الفيزيائية لاغشية اوكسيد الخارصين المشوبة تشويبا مشتركا بالبورون والالمنيوم == Physical Properties of Aluminum and Boron co - doped Zinc Oxide Thin Films
Author name:
رشيد هاشم جبار
Supervisor name:
انوار حسين علي الفؤادي
General topic:
Physics
Specific topic:
Solid State and Materials Physics
Degree:
Doctorate
University:
Mustansiriyah University - College Of Science
Language:
English
University location:
Baghdad
First pages:
26T1836 - p.pdf
Abstract:
في هذا البحث تم تحضير اغشية اوكسيد الخارصين النقي ZnO والمشوبة تشويبا مشتركا بالبورون والالمنيوم ( AZB) بنسب تشويب (2, 4, 6, 8 %)، اي [ZnO : (B 1%+Al 1%), ZnO : (B 2%+ Al 2%), ZnO : (B 3%,Al 3%), ZnO : (B 4%,Al4%)]. اذ تم تحضير الاغشية بطريقة التحلل الكيميائي الحراري بدرجة حرارة القاعدة مقدارها(450 ±10 oC) وسمك (150±5 nm) على قواعد زجاجية وسليكون مسامي من النوعين (n, p) بمقاومية مقدارها(0.05 - 0.1 Ω.cm) واتجاه بلوري (111). تم تصنيع مفارق هجينة من انواع : ( ((ZnO, AZB)/p - PS/Si, (ZnO, AZB)/n - PS/Si ، وتم تحضير طبقة السليكون المسامي بطريقة التنميش الكهروكيميائية والكهروكيميائي تحت تاثير ضوء الهالوجين على قواعد السليكون للنوعين (n, p) بكثافة تيار مقدارها (30 mA) وزمن مقداره (30 minutes) . تم دراسة طبوغرافية سطح الاغشية وللسليكون المسامي باستعمال المجهر الالكتروني الماسح (SEM)، مجهر نفاذية الالكترونات (TEM) ومجهر القوة الذري (AFM) فتبين ان التركيب السطحي للاغشية المرسبة هو تركيب نانوي يتناقص فيه الحجم الحبيبي مع زيادة نسب التشويب المشترك اذ بلغت قيمة اصغر حجم حبيبي 7.5 nm))، وان خشونة السطح تزداد مع زيادة التشويب المشترك وتتغير من(1.34 - 6.15 nm) ومن (6.4 - 12.12)للاغشية المرسبة على الزجاج والسليكون المسامي على التوالي، واظهر جهاز حيود الاشعة السينية (XRD ) ان اغشيية ZnO المحضرة النقية والمشوبة ذات تركيب متعدد التبلور ومن النوع السداسي المتراص (hexagonal wurtzite). تم دراسة الخصائص البصرية للاغشية المحضرة بوساطة قياس طيف النفاذية والامتصاصية عند درجة حرارة الغرفة لمدى طول موجي يتراوح من (300 - 1100 nm) تبين ان النفاذية البصرية للاغشية النقية (87 %) وانها تتناقص مع زيادة نسب التشويب، وظهر ان فجوة الطاقة البصرية تزداد بزيادة نسب التشويب حيث بلغت قيمة فجوة الطاقة البصرية للغشاء النقي (3.22 eV) وتصل الى (3.31 eV) عند التشويب بنسبة (8%). اظهرت القياسات الكهربائية ان الاغشية النقية والمشوبة من النوع السالب (n - type)، وتركيز حاملات الشحنة يزداد مع زيادة نسب التشويب المشترك. لاغشية المحضرة المرسبة على الزجاج والسليكون المسامي للنوعين (n, p) تم استخدامها في قياس التحسسية للغازين (NH3, NO2)، بدرجة حرارة الغرفة وبتراكيز (50, 100, 150, 200 ppm). اظهرت النتائج ان المقاومة الكهربائية للاغشية تتناقص مع زيادة التشويب بالنسبة للغاز (NH3) بسبب تفاعل الاختزال، لكنها تزداد مع زيادة التشويب بالنسبة للغاز (NO2) بسبب تفاعل الاكسدة. بينت النتائج ان تحسسية الاغشية المرسبة على السليكون المسامي تكون اكبر من تحسسية الاغشية المرسبة على الزجاج، وتكون تحسسية الاغشية المرسبة على السليكون المسامي نوع (n) اكبر منها في حالة السليكون المسامي لنوع (p). وبينت الدراسة ان زيادة تراكيز الغازات تؤدي الى زيادة التحسسية. | In this research, pure ZnO and (aluminum and boron) co - doped ZnO(AZB)thin films were deposited with various doping concentration(2, 4, 6 and 8 %),[ZnO : (B 1%+Al 1%), ZnO : (B 2%+ Al 2%), ZnO : (B 3%,Al 3%), ZnO : (B 4%,Al4%)]. The thin films have been prepared by Spray Pyrolysis's method at (450 ±10 oC) substrate temperature with (150±5 nm) thickness on glass and porous silicon (n & p) types with resistivity (ρ= 0.05 - 0.1 Ω.cm) and (111) crystalline orientation. Heterojunctions of the types, such as : (( ZnO, AZB)/p - PS/Si, (ZnO, AZB)/n - PS/Si were also prepared. The porous silicon layer was prepared by the electrochemical and photo electrochemical etching under the effect of halogen light on silicon substrates for (n & p) types with current density (30 mA) for (30 minutes). The surface topography of the films and the porous silicon are studied by using the Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission electron microscopy (TEM) and the Atomic Force Microscopy (AFM). The study shows that the surface structure of the deposited films is nano structural and the value of the grain size decreases with the increase of co - doping where the minimum value of grain size was (7.6 nm). It was found that the surface roughness increased with doping from (1.34 to 6.15 nm) and (6.4 to 12.12) for a films deposited on glass and porous silicon substrate respectively, the x - rays diffraction showed the prepared doped and undoped ZnO thin films were of polycrystalline structural of(hexagonal wurtzite). The optical properties of the prepared thin films have been studied by measured the transmittance and absorbance spectrum at room temperature for the wavelength range (300 - 1100 nm), the transmittance was (87 %) for the undoped ZnO, the transmittance decreased with the co - doped increased. The value of the optical energy gap increased with the co - doped increase, the optical energy gap of the undoped film was found to be (3.22 eV) and increased to (3.31 eV) after doping with (8%) rate. The electrical measurements proves that doped and undoped thin films were n - type, and the carrier charge concentrations increased with the increase of co - doped rate. The prepared thin films deposited on glass and porous silicon (n & p) types have been used to the sensitivity measurements for (NH3, NO2) gasses at room temperature for the (50, 100, 150, 200 ppm) concentrations. The results shows that the electrical resistance for the thin films decrease with the increase of co - doped concentrations for (NH3) gas due to the reducing interaction, but it increases with the increase of co - doped concentration for (NO2) gas due to the oxidation interaction. The results show that the sensitivity of the thin films deposited on porous silicon substrates is higher than the sensitivity of the thin films deposited on glass substrates. The sensitivity of n - type porous silicon is higher than p - type porous silicon and glass substrate. The study shows that the increase of gases concentrations leads to increase of sensitivity.
