1 تا حدود 100متغير باشد، معمولاً به صورت پراکنده در همه جاي مخلوط باقي مي ماند که به اين گونه مخلوط ها کلوئيد مي گويند. اصطلاح کلوئيد از ترکيب دو کلمه يوناني kolla (به معني چسب) و eidos (به معناي شبيه) بدست آمده است که اولين بار توسط دانشمند انگليسي بنام توماس گراهام بکار برده شد. سل ها شامل ذرات ريزي (کمتر از 100 نانومتر) پراکنده شده در فاز حلال هستند و در واقع يک محلول يا به اصطلاح درست تر مخلوط کلوئيدي را تشکيل مي دهد. پس با توجه به همه توضيحات بالا مي توان سل را اين گونه تعريف کرد که :” سل عبارتست از مخلوط جامد پراکنده شده در مايع که به علت کوچکي ذرات جامد قادر است براي مدت بسيار طولاني (ماه ها) پايدار بماند و ته نشين نشود”. اين ذرات مي توانند آمورف و يا بلوري باشند پس از ساخت يک محلول همگن بايد آن را به سل تبديل کرد. مي توان گفت که واکنش هيدروليز پايه اين مرحله است. اصولاً کلمه هيدروليز از ترکيب دو کلمه هيدرو و ليز تشکيل شده و مفهوم آن تجزيه به وسيله آب است. اصطلاح تجزيه به هر موردي اطلاق مي شود که يک حالت پيچيده به حالتي ساده تر تبديل گردد. در شيمي گاهي آب مي تواند مولکولي را شکسته و به مولکول هاي ساده تري تبديل کند. به طور خلاصه به دسته اي از واکنش ها که در آن آب مولکولي را شکسته (بر اثر يک واکنش شيميايي)و به مولکول هاي ساده تر تبديل مي کند اصطلاحاً هيدروليز مي گوييم. واکنش هيدروليز چندان پيچيده نيست. براي آغاز اين فرآيند کمي آب به محيط واکنش افزوده مي شود(اين در حالتي است که محلول همگن در حلالي فاقد آب يا الکل تهيه شده باشد). حضور آب باعث خواهد شد تا واکنش هيدروليز بر روي پيش ماده صورت گيرد و به نوعي آن را فعال کرده تا ذرات اکسيد فلزي گرد هم آمده و تشکيل ذرات ريز و جامدي بدهند که در حلالي پراکنده هستند. به چنين ترکيبي سل (به عنوان يک محصول مياني فرآيند) اطلاق مي شود. مهمترين نکته اي که راجع به يک سل خوب و قابل قبول بايد گفت اين است که سل حاصل بايد به گونه اي تهيه شود تا بتواند براي ماه ها پايدار باشد و رسوب نکند. به عبارتي ديگر بايد اندازه ذرات آنقدر کوچک باشد که حرکات براوني ذرات بر نيروي جاذبه زمين غلبه کرده و ذرات ته نشين نشوند و براي مدت طولاني همگن باقي بماند. اگر سل حاصل داراي چنين ويژگي باشد مي توان اميدوار بود تا محصولي همگن، خالص و با بازده بالا توليد شود.
3) تشکيل ژل
ژل عبارت از يک شبکه پيوسته مي باشد که يک فاز مايع را در خود جاي داده است. در اکثر سيستم هاي سل ژل، تشکيل ژل با ايجاد پيوند هاي کووالانسي همراه بوده و ژل برگشت پذير نيست يعني قابليت برگشت به حالت سل را ندارد. اگر ژل حاصل داراي پيوند هاي ديگر غير از پيوند کووالانسي باشد مي توان احتمال برگشت پذير بودن واکنش را نيز در نظر گرفت. براي تشکيل ژل کافي است، محلول ساخته شده را به نوعي تحريک کرده، تا ذرات ريز پراکنده شده(که هر کدام شامل چند تا چند ده واحد مولکول يا اتمي از آغازگر هاي مربوط هستند)شروع به نوعي گرد همايي کنند. واکنش تراکم دقيقاً عکس واکنش هيدروليز است. در هيدروليز مولکولي درشت با مصرف آب به اجزاء ساده تر تبديل مي شود. اما در تراکم دو مولکول ساده به هم مي پيوندند و تشکيل يک مولکول پيچيده تر را مي دهند. با ايجاد بر همنکش هاي (فيزيکي و شيميايي) ميان ذرات معلق پراکنده شده در محلول سل، آنها به صورت واحد هايي متشکل از چند ده هزار مولکول کنار هم جمع شده و تشکيل مولکول هاي بزرگتر را مي دهند. اين تحريک مي تواند توسط روش هاي فيزيکي يا به وسيله تغيير PH و يا تغيير غلظت محلول طريق اضافه کردن يک معرف مناسب (آب خالص يا آب به همراه HCI وNaOH) انجام شود. از جمله مي توانيم با انجام فرايند هاي پوششي چرخشي و يا غوطه وري، فيلم هاي نازکي به ضخمات nm 500-50 را برروي يک زير لايه توليد نمائيم. اين فيلم هاي نازک توليد شده کاربردهاي وسيعي از لحاظ الکتروني، فوتونيکي دارند و برروي خواص اپتيکي مي تواند تأثير گذار باشند. ماده ي حاصل که تمام حلال را در درون خود به دام مي اندازد ژل خيس نام دارد. ژل در نهايت به عنوان محصول نهايي ساخته مي شود.
انواع ژل بر اساس نوع حلال
الف)آلکوژل
ژلي که حفره هاي آن توسط الکل پر شده باشد آلکوژل ناميده مي شود. ژل هائي که از خشک کردن آلکوژل بدست مي آيند داراي حفره هاي بيشتر مي باشند و ساختار ژلي آبي تقريباً حفظ مي شود و شکستگي کمتري در ساختار در هنگام خشک کردن اتفاق مي افتد.

ب)هيدوژل
اين ژل ها را عموماً در محيط آبي تهيه مي کنند. اصطلاح هيدروژل به ژلي اطلاق مي شود که حفره هاي آن توسط آب پرشده اند. البته گاهي اوقات به آن آکواژل1 نيز گفته مي شود.
فرآيند سل -ژل شامل تغيير حالت سل به ژل با استفاده از تکنيک هاي مختلف و متفاوت است که در اکثر آنها از خشک نمودن آهسته و ملايم براي حذف حلال استفاده مي شود. بايد توجه داشت که به دليل وجود پديده انقباض در هنگام خشک شدن ژل، بايد در طول فرآيند خشک کردن، نکات لازم براي جلوگيري از به وجود آمدن ترک را رعايت نمود.

4)خشک کردن
بسته به استحکام ساختار ژل، مي توان لايه هاي نازکي با سطح يکنواخت و يا يک تکه مستقل با حفره هاي بزرگ به دست آورد.
از آنجا که در اين وضعيت حلال يکي از اجزاء داخلي ژل محسوب مي شود (شبکه را پابرجا نگه مي دارد). حفظ ثبات ساختار حفره ها با برداشتن حلال بسيار دشوار است. معمولاً بايد اجازه داد ساختار ژل قبل از خشک کردن، رسيده شود (کمي بماند) تا پيوند هاي بين ذرات استوارتر گردد. اين مرحله بين يک ساعت تا چند روز طول مي کشد. به اين فرايند در اصطلاح پيرسازي2 گفته مي شود. طي فرآيند پيرسازي، ژل به تغييرات خود ادامه مي دهد تا پيوندهاي جديد شکل گرفته و استحکام اسکلت ژل بيش از پيش گردد.

1. Equagel
2. Aging

انواع ژل بر اساس طرز خشک شدن :
الف)زروژل
ماده را در محيط قرار دهيم تا خودبه خود خشک شود. خروج حلال از حفرات در هنگام خشک کردن باعث ايجاد نيروي مويينگي شده و در نتيجه سبب انقباض شبکه ژل مي شود. ژلي که در اثر خشک شدن به دست مي آيد زروژل نام مي گيرد و حفره هاي کمتري دارد و متراکم است. به عبارت ديگر زروژل به ژلي گفته مي شود که تمام مايع داخل حفره هاي ژل خارج شده است، به گونه اي که ساختار کمي نسبت به ژل تر اوليه متراکم تر و فشرده تر شده است. از اينروزروژل نسبت به ژل خيس اوليه معمولاً حجم کمتري دارد و چروکيدگي نسبت به وضعيت ژل خيس در آن کاملاً مشهود است.

ب)آئروژل
وقتي که ژل تر تحت شرايط خاصي مثلاً قرار دادن درون کوره خشک شود در اين صورت ميزان انقباض به دليل حذف فشار موئينگي اندک مي شود. و در آن تغييرات شبکه جامد به حداقل مي رسد در نتيجه شبکه و حفره ها تغيير حجم نداده و حجم ژل خشک به دست آمده برابر با حجم ژل تر مي باشد. اين ژل که داراي شبکه متخلخل و پوکي است آئروژل ناميده مي شود. آئرول(ژل هوادار) نيز نوعي ژل خشک است. لذا حلال از ژل خارج شده است. در اين جا خروج حلال به گونه اي بوده که هيچ فشردگي يا تغييري در ساختار ژل ايجاد نشده است. بر خلاف زروژل، در آئروژل تمامي خلل و فرج و ساختار حفظ شده و متراکم نمي شود[22] .

عمده ترين روش هاي تهيه ي لايه هاي نازک به روش سل ژل عبارتند از :
الف)تکنيک پوششي چرخشي
ب)تکنيک غوطه وري
روشي که ما در اين پايان نامه از آن براي تهيه ي لايه هاي نازک استفاده کرده ايم روش اسپين کوتينگ و يا همان روش پوششي چرخشي مي باشد. در اين روش مقداري از محلول (سل) را بر روي زير لايه قرار مي دهيم و پس از تنظيم مدت زمان زير لايه شروع به چرخش مي کند. اين روش شامل سه مرحله مي باشد. در مرحله ي اول مقداري از سل برروي سطح زير لايه ي مورد نظر ريخته مي شود. در مرحله ي دوم زير لايه اي که سل را بر روي آن قرار داده ايم در مدت زمان تعيين شده شروع به چرخش مي کند. در اين مرحله در نتيجه ي حرکت چرخشي زير لايه سل اضافي از روي بستر خارج مي شود. اين مرحله با نازک شدن تدريجي محلول همراه است. در مرحله آخر يعني مرحله ي خشک کردن به منظور جدا سازي و تبخير مواد حلال و فرار از لايه، لايه تهيه شده را در کوره قرار مي دهند. در اين صورت يک لايه با چسبندگي زياد بر روي زير لايه تهيه مي شود. در اين روش ضخامت نهايي لايه بستگي مستقيم به زمان چرخش و سرعت چرخش دارد.
روش سل ژل، روشي ارزان و قابل دسترس براي توليد در حجم صنعتي مي باشد. در اين روش با ساخت يک محلول سل خوب (شفاف و پايدار ) و تبديل آن به ژل و در پي آن تراکم به محصول خيس رسيده و با يکي از روش هايي که براي خشک کردن ژل خيس وجود دارد، ژل را خشک کرده و به محصول نهايي که لايه هاي نازک در ابعاد کنترل شده مي باشد مي رسيم. نحوه ي خشک کردن بستگي مستقيم به نوع محصول و ويژگي هاي آن دارد.
انتخاب روش لايه نشاني
انتخاب و برگزيدن يک فرايند لايه نشاني يک نقش اساسي را در توليد لايه هاي نازک با کيفيت خوب، بازي مي کند. و اين در حالي است که يک روش انتخابي بايد به طور رضايت بخشي شرايط زير دارا باشد :
1)پوشش کامل لايه.
2)مقرون به صرفه بودن.
3)دماي فرآيند بايد پايين باشد.
4)توانائي لايه نشاني در مقياس مورد نظر را دارا باشد.
5)ساختار فيلم ها و آهنگ رشد لايه ها بايد قابل کنترل باشد.
6)روش مورد نظر بايد توانايي لايه نشاني ماده ما را داشته باشد.
7)کنترل مناسبي روي سطح بستر و نواقص ايجاد شده روي لايه داشته باشد.
8)مقدار فراواني ماده اي که بايد لايه نشاني شود با روش مورد نظر مناسب باشد.

فصل 2
نيمه هادي ها و بررسي خواص اپتيکي

مقدمه

همان طور که مي دانيم نيمه هادي ها عناصري هستند که مابين هادي و عايق قرار دارند و گاف انرژي Eg نسبتاً کوچکي دارند. نيمه هادي ها معمولاً به شکل خالص مورد استفاده قرار نمي گيرند و معمولاً ناخالصي هايي به آنها اضافه مي شود. در اين فصل ما به تعريف نيمه هادي ها و تاثير ناخالصي در توليد الکترونها و حفره ها مي پردازيم همچنين برخي از خواص اپتيکي آنها نظير جذب را بررسي کرده و مدل تابع دي التريک را مطرح مي کنيم و برخي از ويژگي هاي نيمه هادي ZnO را بررسي مي کنيم.

2-1 نيمه هادي ها

نيمه هادي ها عناصري هستند که از لحاظ هدايت، مابين هادي و عايق قرار دارند، و مدار آخر نيمه هادي ها، داراي 4 الکترون مي باشد.
بر اثر انرژي گرمايي محيط اطراف نيمه هادي، پيوند اشتراکي شکسته شده و الکترون آزاد مي گردد.
الکترون فوق و ديگر الکترونهايي که بر اثر انرژي گرمايي به وجود مي آيد در نيمه هادي وجود دارد و اين الکترونها به هيچ اتمي وابسته نيست.
در مقابل حرکت الکترونها، حرکت ديگري به نام جريان در حفره ها که داراي بار مثبت مي باشند، وجود دارد. اين حفره ها، بر اثر از دست دادن الکترونها در پيوند به وجود مي آيد.
بر اثر شکسته شدن پيوند ها به وجود آمدن الکترونهاي آزاد و حفره ها، در نيمه هادي دو جريان به وجود مي آيد. جريان اول حرکت الکترون که بر اثر جذب الکترونها به سمت حفره ها به سمت الکترونها به وجود خواهد آمد و جريان دوم حرکت حفره هاست که بر اثر جذب حفره ها به سمت الکترونها به وجود مي آيد. در يک بلور نيمه هادي، تعداد الکترونها و حفره ها با هم برابرند ولي حرکت الکترونها و حفره ها عکس يکديگر مي باشند[24] .

2-2 نيمه هادي هاي نوع N و P

از آنجايي که تعداد الکترونها و حفره هاي موجود در بلور نيمه هادي در دماي محيط کم است و جريان انتقال کم مي باشد، لذا به عناصر نيمه هادي ناخالصي اضافه مي کنند.
هرگاه به عناصر نيمه هادي

متن کامل در سایت sabzfile.com

دیدگاهتان را بنویسید