دراسة تأثيرالسمـــك ودرجة حرارةالتلدين في الخواص التركیبیة والبصریة دراسة تأثیرالسمـــك ودرجة حرارةالتلدین في الخواص )ZnOألغشیة ( سمیر عطا مكي عمر دحام جرذي جامعة بغداد /)ابن الھیثم(كلیة التربیة للعلوم الصرفة /قسم الفیزیاء 2012 تشرین االول 15، قبل البحث في : 2012حزیران 25استلم البحث في : الخالصة ) المحضرة بطریقة التبخیر ZnOفي ھذا البحث درست الخواص التركیبیة والبصریة ألغشیة أوكسید الخارصین ( للقاعدة .R.T) عند 150,250,350(nm) على قواعد زجاجیة بأسماك مختلفة Znالحراري بالفراغ، إذ رسب معدن ( ) باستعمال 500() بدرجة حرارة Zn). ومن ثم تمت أكسدة غشاء (nm sec-1 5المرسب علیھا وبمعدل ترسیب ( ) مدة 400,500(أخیراً جرى تلدین النماذج عند درجة حرارة (ZnO).الھواء العادي مدة ساعة للحصول على غشاء واحدة.ساعة ) المحضرة كان متعدد التبلور من النوع ZnO) أن تركیب أغشیة (XRDبینت فحوصات حیود األشعة السینیة ( لجمیع النماذج وقد لوحظ أن شدة ھذا االتجاه تزداد بزیادة السمك ودرجة حرارة التلدین. (002)السداسي مع ھیمنة االتجاه ) لألغشیة المحضرة T) والنفاذیة (A) على تسجیل طیفي االمتصاص (ZnOتركزت دراسة الخواص البصریة ألغشیة ( وقد بینت النتائج ان النفاذیة تقل بزیادة السمك وتزداد بزیادة درجة حرارة التلدین، إذ ان اعلى نفاذیة تم الحصول علیھا ھي ، وبھذا تكون nm(1100-800)) ولمدى االطوال الموجیة 500(الملدن عند درجة حرارة )nm(150) للسمك 92%( مناسبة لتستعمل نافذة بصریة للخالیا الشمسیة. كذلك حسبت فجوة الطاقة البصریة ووجد انھا تزداد بزیادة السمك ودرجة حرارة التلدین . النقیة ، التفریغ الحراري ، حیود االشعة السینیة ZnO: أغشیة الكلمات المفتاحیة 104 | Physics @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ÚÓ‘Ój�n€a@Î@Úœäñ€a@‚Ï‹»‹€@·rÓ:a@Âig@Ú‹©@Ü‹1a26@@ÖÜ»€a@I3@‚b«@H2013 Ibn Al-Haitham Jour. for Pure & Appl. Sci. Vol. 26 (3) 2013 المقدمة II_IV (Compounds) ضمن مركبات المجموعة المركبة (الثنائیة_السداسیة) (ZnOأوكسید الزنك ( Semiconductors یصنف أذ تتكون ھذه المجموعة من تركیب مناسب من مزج عناصر العمود الثاني والسادس للجدول ) النقي مركب صلب ابیض الیذوب في الماء ولكن یذوب بسھولة في الحوامض، ZnOویعد أوكسید الزنك ( [1]الدوري [2]ینتج بواسطة تسامي عنصر الخارصین واحتراق البخار بوجود تیار ھوائي مستمر، ویصبح أصفر اللون عند تسخینھ عمالھ في مجاالت عدة ) أتاحت است3.2(eV) فجوة طاقة عالیة تقریباً ZnOوتمتلك االغشیة الرقیقة المحضرة من مركب ( مثل : الخالیا الشمسیة ، محوالت الطاقة الكھرواجھادیة ، المرایا الحراریة ، أجھزة تحسس الغازات ، المقاومات المتغیرة ولكونھ یدخل في عدید من التطبیقات فقد جذب اھتمام الكثیر من الباحثین وخاصةً في تكنولوجیا االلكترونیات البصریھ. [3] )، والترسیب Vacuum Evaporation) بأكثر من طریقة ومنھا: التبخیر الفراغي (ZnOرسیب أغشیة (یمكن ت )، Sputtering)، والترذیذ (Sol Gel)، والمحلول الغروي(Chemical Vapor Depositionبالبخار الكیمیائي ( Spray Pyrolysis ([4]والتحلل الكیمیائي الحراري ( اھمیة لذلك قام الكثیر من الباحثین بدراسة خواصھا التركیبیة والبصریة ومن ھذه الدراسات ) منZnOولما تمتلكھ أغشیة ( ) النقیة المحضرة بطریقة الرش الكیمیائي الحراري على قواعد ZnOبتحضیر أغشیة Seham( [5] )قامت الباحثة ( ) والملدنھ بثالث درجات حرارة لمدة min/6m1) عند معدل رش (673زجاجیة رقیقة ومسخنھ الى درجة حرارة ( ساعة واحدة، لتصمیم وتصنیع متحسس للكشف عن الغازات، ودرست الخواص البصریة إذ بینت بأن النفاذیة تزداد زیادة قلیلة بعد عملیة التلدین وكذلك فجوة الطاقة . للقاعدة .R.Tرسبة على قواعد زجاجیة عند ) الرقیقة المZnOوجماعتھ بتحضیر أغشیة Georgi ([6] )قام الباحث ( )، وأظھرت k)873,673,573,473وجرى تلدین النماذج عند درجة .المرسب علیھا بتقنیة الترذیذ بالتردد الرادیوي ) لجمیع النماذج، كذلك تبین بأن فجوة الطاقة تقل كلما 002النتائج أن التلدین تسبب في تحسین التبلور مع ھیمنة االتجاه ( دت درجة حرارة التلدین .زا ) الرقیقة على قواعد زجاجیة بتقنیة المحلول الغروي وقد ZnOوجماعتھ بتحضیر أغشیة linhua( [7] )قام الباحث ( درست الخواص التركیبیة بواسطة حیود االشعة السینیة وقد بینت النتائج بأن زیادة سمك الغشاء یؤدي الى نقصان وعدم وبینت النتائج ان uv_visible، وجودة التبلور تتحسن تدریجیاً، ودرست الخواص البصریة بواسطة انتظام تركیب الغشاء معامل االنكسار یتحسن مع زیادة السمك وان النفاذیة بالكاد تتأثر مع تغیر السمك . الجانب العلمي ) إذ قطعت الى اربع 7.6(لقد استعملنا في ھذا البحث قواعد زجاجیة ألمانیة المنشأ، أبعادھا )، وقد مرت بمراحل تنظیف عدیدة للتخلص من الشوائب عن طریق غسلھا بالماء Cm2)2.6×1.9قطع متساویة بمساحة وذلك بأستعمال جھاز %99العادي ومسحوق التنظیف غسالً جیداً، ومن ثم بالماء المقطر والكحول االثیلي عالي النقاوة ) النقیة علیھا بسمك مختلف Zn)، وبعد ذلك تم ترسیب أغشیة (Ultrasonicالموجات فوق الصوتیة ( nm)150,250,350) وبمعدل ترسیب ،(5 nm sec-1) باستعمال منظومة التفریغ من نوع (Edwarde(320 E عند ) لكي یمنع تطایر 1.5(cmالمصنع محلیاً ذات عمق Mo) حیث استعمل حویض من المولبدنیوم mbar)5ضغط ) الرقیق وذلك باستعمال فرن كھربائي من نوع ZnOالمادة، وبعد ذلك تمت عملیة االكسدة للحصول على غشاء ( )Ammealing Oven 187 ین ) وأخیراً تم تلد500() عند درجة حرارة 500 _ 100() ذات المدى الحراري ) ولقد استعملت الطرقة الوزنیة لقیاس 500_400(االغشیة في نفس الفرن المذكور أنفاً لمدة ساعة عند درجة حرارة ، SHIMADZU , Japan (XRD600سمك االغشیة المرسبة . تم استعمال جھاز حیود االشعھ السینیة من نوع :( لمعرفة الخواص التركیبیة . A 1.5405وطول موجي CU _ Kوالباعث لالشعة السینیة من نوع ) لألسماك المختلفة قبل وبعد التلدین باستعمال T) والنفاذیة (Aثم قیست الخواص البصریة التي تتضمن االمتصاصیة ( 375(nm) انجلیزي الصنع، ضمن مدى الطول الموجي UV_ Visible 1800 Spectra Photometerمطیاف نوع ( . )، ومن طیف االمتصاصیة والنفاذیة تم حساب فجوة الطاقة1100 _ النتائج والمناقشة ) المحضرة قبل التلدین نالحظ بأنھا ذات تركیب متعدد التبلور ZnO) ألغشیة (XRDمن نتائج حیود االشعھ السینیھ ( )Polycrystalline) تزداد بزیادة السمك وھذا 002شدة األتجاه السائد () لجمیع األسماك، وإن 002) وباإلتجاه السائد ( .a،b،c)1، كما مبین في الشكل (Linhua ،A.Jain[8] [7] یتفق مع ماتوصل إلیھ ) تزداد تدریجیاً بزیادة درجة حرارة التلدین 002أما بالنسبھ لتأثیر درجة حرارة التلدین فقد لوحظ بأن شدة األتجاه السائد ( .a،b،c)2كما مبین في الشكل ( M.CAGLAR[8]احث وھذا یتفق مع الب ) النقیھ للسمك المختلف قبل وبعد التلدین بواسطة معادلة شیرر قبل ZnOكذلك تم حساب المقاس الحبیبي لجمیع اغشیة ( [9]التصحیح : 105 | Physics @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ÚÓ‘Ój�n€a@Î@Úœäñ€a@‚Ï‹»‹€@·rÓ:a@Âig@Ú‹©@Ü‹1a26@@ÖÜ»€a@I3@‚b«@H2013 Ibn Al-Haitham Jour. for Pure & Appl. Sci. Vol. 26 (3) 2013 …………………..……..(1). وقد وجد بأن قیمة المقاس الحبیبي تزداد بزیادة السمك مما یعني أن زیاة سمك الغشاء أدت الى زیادة التبلور وتناقص ، وكذلك تزداد بزیادة درجة حرارة التلدین وھذا أیضاً یتفق مع ما A.Jain[8]العیوب البلوریھ وھذا یتفق مع الباحث والسبب في زیادة قیمة المقاس الحبیبي ھو نقصان قیمة Seham[5] ،[6] M.CAGLAR ، .[10] Einassتوصل إلیھ )FWHM ألن العالقھ بینھما عكسیھ، والزیادة الحاصلھ في قیمة المقاس الحبیبي بسبب التلدین تعني بأن التلدین أدى إلى ( ث تأخذ الحبیبات إلغاء بعض المستویات والعیوب الموجوده بعد حصول عملیة نمو وإعادة ترتیب الحبیبات البلوریھ حی ) إذ 500() عند تلدینھ بدرجة حرارة nm)150بإستثناء ذلك السمك [5]. طاقھ كافیھ للنمو والترتیب داخل الشبیكة نالحظ بأن المقاس الحبیبي قد قلت قیمتھ عن ما كانت علیھ قبل التلدین، ولربما السبب في ذلك إن التلدین عند درجة حرارة ) یبین قیم المقاس 1) مما أدى الى زیادة العیوب البلوریھ والجدول (150(nm) كانت عالیھ بالنسبھ للسمك 500( .الحبیبي للسمك المختلف قبل وبعد التلدین ) طیف النفاذیة قبل التلدین إذ نالحظ فیھ 3أما بالنسبھ للخواص البصریھ فقد تم دراسة طیف النفاذیة إذ یبین الشكل ( زیادة في النفاذیھ مع زیادة الطول الموجي لجمیع األسماك، و تبین إنھا تقل مع زیادة سمك األغشیھ وھذا یتفق مع ما توصل بحدود nm)(150حیث أن أعلى نفاذیھ تم الحصول علیھا قبل التلدین ھي للسمك A.Jain[8] ،Kameran.[11]إلیھ وسبب قلة النفاذیھ مع زیادة السمك ھو إعتمادھا بشكل كبیر على عامل .)950-1100(nm) عند الطول الموجي 70%( السمك إذ یلعب دوراً كبیراً وفعاالً إذ بزیادة سمك األغشیھ تقل نفاذیھ الغشاء ویرجع السبب في ذلك الى (أن السمك الكبیر .[12]وھین جزء كبیر من االشعاع الساقط على الغشاء) یؤدي الى حصول ظاھرة اإلمتصاص البصري وبذلك ت ) بأن قیمة النفاذیھ تزداد بعد التلدین، بسبب نقصان سمك 5) و (4أما بالنسبھ لتأثیر درجة حرارة التلدین فنالحظ من الشكل ( ء من مادة الغشاء وھذا الغشاء، ألن التلدین عند درجات الحرارة العالیھ قد یتسبب في فقدان بعض ذرات االوكسجین أو أجزا ) 500() الملدن بدرجة حرارة nm)150حیث تم الحصول على أعلى نفاذیھ للسمك Seham.[5]ما یتفق مع الباحث .) 900-1100(nm%) عند الطول الموجي 92وكانت بحدود ( [13]) من المعادلة األتیة : كذلك تم حساب فجوة الطاقة البصریة لألنتقال المباشر المسموح ( αhv=B(hv-Eg)r…………………..(2) r لألنتقال المباشر المسموح ½ : معامل اسي یعتمد على نوع األنتقال ویأخذ قیمة. ، وتزداد بزیادة درجة حرارة التلدین A.Jain[8]تبین بأن فجوة الطاقة تزداد بزیادة سمك الغشاء وھذا یتفق مع الباحث وإن إنخفاض قیم فجوة الطاقة یمكن أن تنسب لوجود العیوب .shenghong [14]وھذا ال یتفق مع ما توصل إلیھ الباحث لذلك نالحظ أن بزیادة سمك الغشاء ودرجة حرارة التلدین تم الحصول على زیادة في قیم فجوة .[15]البلوریة والشوائب ) یبین قیم فجوة الطاقة للسمك (2ما یعني أن العیوب البلوریة والشوائب قد قلت وكذلك إزداد تبلور المادة، والجدول الطاقة م .المختلف قبل وبعد التلدین االستنتاجات ھو السائد وقد ازدادت شدتھ بزیادة السمك وبعد (002)المحضرةذات تركیب متعدد التبلور واالتجاه ZnOان اغشیة .1 .ینالتلد .زیادة في المقاس الحبیبي بزیادة السمك وبعد التلدین .2 .النفاذیة تقل بزیادة السمك وتزداد بعد التلدین .3 .فجوة الطاقة لالنتقال المباشر المسموح تزداد بزیادة السمك وبعد التلدین .4 المصادر 1. Sze, S.M. (1990), Semiconductors Devices Physics and Technology. 2. Chopra, K.L. (1969), Thin films phenomena, MCG caw-Hill New York المحضر بطریقة ZnO:Ag) و ZnOتحضیر ودراسة الخصائص التركیبیة الغشیة()، 2008(رشید ھاشم جبار .3 الجامعة - الترسیب الكیمیائي الحراري ودراسة خصائصھا البصریة قبل التلدین وبعده" رسالة ماجستیر ،كلیة العلوم .نصریةالمست 4. CAGLAR, M.;CAGLAR, Y.and ILICAN, S.(2006)‚ The determination of the thickness and optical constants of the ZnO crystalline thin film by nsing envelope method"‚ J.optoelectronics and Advanced Materials‚ 8‚ (4): 1410-1413. للكشف عن الغازات ، رسالة ماجستیر، ZnO)، تصمیم وتصنیع متحسس من شبھ موصل 2010سھام حسن سلمان، ( .5 .أبن الھیثم ، جامعة بغداد- كلیة التربیة 106 | Physics @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ÚÓ‘Ój�n€a@Î@Úœäñ€a@‚Ï‹»‹€@·rÓ:a@Âig@Ú‹©@Ü‹1a26@@ÖÜ»€a@I3@‚b«@H2013 Ibn Al-Haitham Jour. for Pure & Appl. Sci. Vol. 26 (3) 2013 6. GeorgiP.Daniel; Justinvictor V. B.; prabithaB.Nair; Joy K.; peter koshy ; and P.V.Thomas (2010)‚ Effect of annealing temperature on the structural and optical properties of ZnO thin films prepared by RF magnetron sputtering ‚ physica B 405:1782-1786. 7. LinhuaXu; Xiangyin Li ; yulinchen, and Feixu, (2011)‚ structural and optical properties of ZnO thin films prepared by spl - gel method with different thickness "‚ Applid surface scince 257: 4031-4037. 8. Jain, A.; Sagar, P. and Mehra, R.M. (2007)‚ Changes of structural‚ optical and electrical properties of sol-gel derived ZnO films with their thickness , Materials Scince - Polad‚ 25‚ 1. 9. Barret, C.S. and Massalski, T.P.‚ (1980)‚ Structure of Metals‚ Pergamon Press‚ Oxford. )، دراسة تأثیر درجة حرارة القاعدة وزمن التلدین على الخواص التركیبیة والبصریة 2010ایناس یاسین عبد، (. 10 .ثم، جامعة بغدادابن الھی- ) ، رسالة ماجستیر، كلیة التربیة ZnOغشیة (أل ) ZnO)، دراسة الخصائص التركیبیة وتأثیر السمك على الخصائص البصریة ألغشیة (2008كامران یاسین قادر، (. 11 .الرقیقة المحضرة بطریقة التحلل الكیمیائي الحراري ، رسالة ماجستیر، كلیة التربیة/المستنصریة 12. Chertora, L.E.(1983)‚ Physics of thin film‚ LudmiaEckertora. 13. Mwolfe, C.; Holouyak, N.and Stillman, G.B. (1989)‚ Physical Properties of Semiconductor ‚Prentice Hall‚ New York. 14. Yang, S.; Liu Y.; Zhang Y. and Mo D., (2010), “Investigation of annealing – treatment on structural and optical properties of sol – gel derived zinc oxide thin films”, J.Indian Academy of sciences, 33, 3, 209-214. 15. Demiryont, H. and Nietering, K.E., (1989), Sol Energy Mater, 9, 79 . قبل وبعد التلدین): یبین المقاس الحبیبي لجمیع األسماك 1(رقمجدول D (nm) At annealing 500 D (nm) At annealing 400 D (nm) before annealing Thickness 22.2568 24.8839 22.7672 150 30.1898 24.955 23.128 250 36.9193 34.168 33.241 350 ): یبین فجوة الطاقة لجمیع األسماك قبل وبعد التلدین2( رقم جدول Eg (eV) At annealing 500 Eg (eV) At annealing 400 Eg (eV) before annealing Thickness 3.29 3.12 3 150 3.14 3.10 3.04 250 3.19 3.14 3.11 350 107 | Physics @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ÚÓ‘Ój�n€a@Î@Úœäñ€a@‚Ï‹»‹€@·rÓ:a@Âig@Ú‹©@Ü‹1a26@@ÖÜ»€a@I3@‚b«@H2013 Ibn Al-Haitham Jour. for Pure & Appl. Sci. Vol. 26 (3) 2013 النفاذیة للسمك المختلف قبل التلدین): اطیاف 3شكل ( 108 | Physics @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ÚÓ‘Ój�n€a@Î@Úœäñ€a@‚Ï‹»‹€@·rÓ:a@Âig@Ú‹©@Ü‹1a26@@ÖÜ»€a@I3@‚b«@H2013 Ibn Al-Haitham Jour. for Pure & Appl. Sci. Vol. 26 (3) 2013 ): اطیاف النفاذیة للسمك المختلف قي التلدین3رقم (شكل ) قبل وبعدالتلدین150(nm): أطیاف النفاذیة للسمك 4(رقمشكل ) قبل وبعدالتلدین350(nm ): أطیاف النفاذیة للسمك5شكل رقم ( Wave length (nm) Tr an sm it ta nc e % Wave length (nm) Tr an sm it ta nc e % Wave length (nm) Tr an sm it ta nc e % 0 oC 400 oC 500 oC 109 | Physics @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ÚÓ‘Ój�n€a@Î@Úœäñ€a@‚Ï‹»‹€@·rÓ:a@Âig@Ú‹©@Ü‹1a26@@ÖÜ»€a@I3@‚b«@H2013 Ibn Al-Haitham Jour. for Pure & Appl. Sci. Vol. 26 (3) 2013 The Study Of Thickness And Annealing Temperature Effect On Structural and Optical Properties For ZnO Thin Films Samir A. Maki Omar D. Jarthi Dept. of Physics/ College Of Education For Pure Science (Ibn Al-Haitham)/ Unversity Of Baghdad Received in :25 June 2012 , Accepted in : 15 October 2012 Abstract In the present work, We study the structural and optical properties of (ZnO), which are prepared by thermal evaporation technique, where deposit (Zn) on glass substrates at different thicknesses (150,250,350)nm, deposited on glass substrate at R.T. with rate (5 nm sec-1). And then we make oxidation for (Zn) films at temperature (500) and using the air for one hour, and last annealing samples at temperature (400,500) for one hour. The investigation of (XRD) indicates that the (ZnO) films are polycrystalline type of hexagonal with a preferred orientation along (002) to all samples and analysis reveals that the intensity of this orientation increases with the increase of the thickness and annealing temperature. Optical properties measurement Transmittance (T) and Absorptance (A) of (ZnO) film show that the transmittance decreases with the increase of thickness and it increases after annealing, where high transmittance(92%) to thickness (150)nm is annealed at temperature (500) with wave length (800-1100)nm, which is suitable to solar cell. Optical energy bands gap is measured and investigated that it increases with the increase of thickness and annealing temperature. Key Words :ZnO thin films‚ Vacuum evaporation‚ XRD. 110 | Physics @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ÚÓ‘Ój�n€a@Î@Úœäñ€a@‚Ï‹»‹€@·rÓ:a@Âig@Ú‹©@Ü‹1a26@@ÖÜ»€a@I3@‚b«@H2013 Ibn Al-Haitham Jour. for Pure & Appl. Sci. Vol. 26 (3) 2013