IBN AL- HAITHAM J. FOR PURE & APPL. S CI. VOL.24 (1) 2011 Influence of Irradiation on Electronic Transition o f (CuO) Films Prepared by Chemical Spray Paralysis Technique D. J. Fak ralden, S. A. Hame d, M. H. Abdul-Allah Department of Science, College of Basic Education , Unive rsity of Mustansiriya Ministry of Education ,Directorate of Educeation of Diyala Departme nt of Physics, College of Science, Unive rsity of Diyala Recei ved in Nov. 15, 2009 Accepted in June 30, 2010 Abstract In this research, We study the effect of irradiation by gamma rays from (Cs137) source for the period time (21) day s on optical p rop ertices such as absorption coeffeicient ()and energy gap (Eg) for copp er oxides t hin films (CuO) p rep ared by the chemical sp ray py roly sis and deposited on glass substrates at (350 o C) for two different t hicknesses ( 1000Åand 3000Å ) . 2011) 1( 24المجلد مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة )CuO(ألغشیة األنتقاالت األلكترونیة فيأثیر التشعیع ت الكیمیائي الحراري لتحللالمحضرة بطریقة ا محمد حمید عبد اهللا ،سهامة عبد حسین حمید ،دینا جالل الدین فخر الدین الجامعة المستنصریة ة التربیة األساسیة،كلی قسم العلوم، وزارة التربیة مدیریة تربیة دیالى، جامعة دیالى قسم الفیزیاء، كلیة العلوم، 2009تشرین الثاني 15استلم البحث 2010حزیران 30قبل البحث الخالصة (تـم فــي هـذا البحــث دراســة تأثیرالتشـعیع بأشــعة كامـا لمصــدر 13 7Cs ( تمثلـة بـــ معامــل مال الخـواص البصــریة فــي الكیمیــائي الحــراري و المرســبة علــى تحلـلالمحضــرة بطریقــة ال)CuO(اوكسـید النحــاس فجــوة الطاقــة ألغشــیة االمتصـاص و 350) قواعد زجاجیة بدرجة حرارة o C ) 3000( ینمختلف ینسمكل وÅ,1000Å(. المقدمة النحاس من المواد شبه الموصلة المهمة وذلك لكونه احـد مركبـات النحـاس الكیمیائیـة، ال یـذوب فـي المـاء اوكسید ، یمتـاز اوكسـید النحـاس [1] أو القواعـد ویمكـن الحصـول علیـه مـن أكسـدة النحـاس، ویتمیـز بتركیبیـه البلـوري األحـادي المیـل اوكسـید النحـاس فجـوة طاقـة كبیـرة نسـبیًا ومعامـل امتصـاص عـاٍل فـي المـتالك اباللون البني الغامق، وهو عدیم الرائحة ونظـر تطلـب امتصاصـیة ت التـيالحراریـة الشمسـیة، -الخالیـا الضـوئیة السـیماسـتخدم فـي التطبیقـات الشمسـیة و المنطقة المرئیة لذلك ی ، وتمتـاز [2] المرئـي ة عالیـة ومـدى جیـد مـن االسـتقراریة وكـذلك تتطلـب امتصاصـیة عالیـة فـي مـدى الطـول المـوجيیذا كفا .[3] هذه األغشیة بمواصفات جیدة تمكننا من استخدامها في تطبیقات الخالیا الشمسیة والكواشف الجانب العملي ةتحضیر األغشی يالكیمیـائ التحلـل، منها طریقة هناك العدید من الطرائق الفیزیائیة والكیمائیة المستخدمة في تحضیر االغشیة الرقیقة )CuO( النحــاسلتحضــیر أغشــیة اوكســید .، وٕان األغشـیة المحضــرة بهــذه الطریقــة تكــون شــدیدة االلتصــاق بالقاعــد الرقیقــة وهــي مـــادة علــى شـــكل ) Cu(NO3)2.3H2O(المائیــة النحـــاسمـــادة نتــرات عملتالكیمیـــائي الحــراري، اســت لتحلــلبطریقــة ا وذلـــك ) mol 0.1(المحلــول بعیاریــة حّضــر، وقــد ) 91(% وبنقـــاوة) 241.60(مســحوق أزرق اللــون، وزنهــا المكــافىء Magnetic(من الماء المقطر بصورة تدریجیة وباستخدام خالط مغناطیسي ) ml 100(من المادة في ) g416.2(بإضافة Stirrer( اذابتهُ ضمن العیاریة أعاله ذي یرادللحصول على الوزن ال ادناه، وباستخدام العالقة : 2011) 1( 24المجلد یثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة مجلة ابن اله )1(……………………. M = (Wt / Mwt) . (1000/V) :حیث M :التركیز الموالري Wt :حجم الماء المقطر V : ُالوزن المطلوب اذابته Mwt : الوزن الجزیئ لمادة)Cu(NO3)2.3H2O( مـدة زمنیـة مناسـبة لضــمان تبریـده قبـل الـرش، ثـم وضـع فــي لحصـول علــى المحلـول تـرك الذابـة واوبعـد اكمـال عملیـة ا جهـاز الــرش وبعــد رشــه وترســبه علــى القواعــد الزجاجیــة المحضـرة مســبقًا بعــد ان یــتم تنظیــف القواعــد جیــدًا بــالكحول والمــاء االتیة لمعادلة الكیمیائیة طبقا ل CuOنحصل على اغشیة [4] :   22 Heat C35023 O4NO CuO 2)2Cu(NO o 350(كانـت ) CuO(أن درجـة حـرارة القواعـد الزجاجیـة المناسـبة لتكـوین أغشـیة o C ( وبضـغط هـواء مقــداره)10 5 N/m 2 ( 10cm(معدل الترسیب الذي حصلنا منه على أغشیة متجانسـة هـو وكان داخل الغرفة الزجاجیة في جهاز الرش، 3 /min (، لتجنـب التبریـد المفــاجئ ) 15sec(الزجاجیـة ، وبـزمن ترسـیب مقـداره تقریبـًا عـن القواعـد ) 30cm(ارتفـاع جهـاز الـرش وكـان لضــمان عـودة الحــرارة ) min 3(للقواعـد الـذي یــؤدي إلـى تشــققات فـي القاعــدة الزجاجیـة، ویعقـب عملیــة الترسـیب توقــف مـدة االلتصـاق شـدیدةن بنـي غشـیة التـي تـم الحصـول علیهـا ذات لـو وأن اال ، إلـى القیمـة األصـلیة والتمـام عملیـة اإلنمـاء البلـوري اســتخدم لهـذا الغـرض میـزان حسـاس مـــن حیـثالطریقـة الوزنیــة لقیـاس سـمك األغشـیة المحضـرة ، وقـد تـم أسـتخدام، بالقاعـدة 10(حساسـیة يذ) Mettler AE-160(نــوع -4 g.( الشـكل یوضــح)لتحضــیر تالتـي اسـتعمل التحلـلمنظومـة مخطـط ل) 1 .النحاسألوكسید ألغشیة الرقیقة ا )UV-160A UV-Visible Recording Spectrophotometer(مطیاف استعملولقد إن األغشـیة المحضـرة كانــت مطیـاف ، عملاُسـت )nm )300-900لمـدى األطـوال الموجیــة و لبصـریة الجـراء القیاسـات ا ــــیة وبعــــدهااأللتصـــــاق بالزجــــاح وخالیــــة مـــــن الثقــــوب األبریة، متجانســــة وشــــدیدة ــــم تعــــریض هــــذه االغشـ ة كامـــــاألشــــع تـ . "ایوم 21مدة) 137Cs(لمصدر النتائج والحسابات )-Absorption Coefficient -(معامل االمتصاص - داخل ةیعرف معامل االمتصاص بانه نسبة النقصان في فیض طاقة االشعاع لوحدة المسافة باتجاه انتشار الموج ، وعلى خواص شبه الموصل من حیث فجوة )hυ(طاقة الفوتون الساقط ، ویعتمد معامل االمتصاص على [4]الوسط الطاقة له ونوع االنتقاالت االلكترونیة التي تحدث بین حزم طاقاته، فعند سقوط حزمة ضوئیة على غشاء رقیق فان جزءًا فذة والممتصة تعتمد على منها سینعكس وجزءًا ینفذ وجزءًا سوف تمتصه مادة الغشاء، وكمیة كل من الطاقة المنعكسة والنا ان معرفة قیمة معامل االمتصاص یساعد . طبیعة مادة الغشاء الرقیق وسطحه والطول الموجي للحزمة الضوئیة الساقطة α>10(عالیة، أي αعلى معرفة طبیعة االنتقاالت االلكترونیة فاذا كانت قیمة 4 cm -1 احتمالیة حدوث یدل على، فذلك ) 2011) 1( 24المجلد الصرفة والتطبیقیة مجلة ابن الهیثم للعلوم α<10(القلیلة، أي αانتقال الكتروني مباشر، في حین تدل قیمة 4 cm - 1 ، على احتمالیة حدوث انتقال الكتروني غیر ) .، وكذلك فان قیمة معامل االمتصاص تدل على قابلیة مادة الغشاء المتصاص طاقة االشعاع الساقطة[5]مباشر كما ) Io( الساقط الضوء وشدة) I( النافذ ن القانون الخاص بامتصاص االشعاع تكون العالقة بین شدة الضوءوم : [6,7]في المعادلة االتیة )1....(..........)(0 teII  :اذ ان t :سمك الغشاء الرقیق. α : دالة للطول الموجي وتعرف بمعامل االمتصاص وتقاس بوحدات)cm -1 .( :المعادلة السابقة نحصل على وبعد تبسیط )2........(..........303.2 0 I I Logt  (اذ ان المقدار I I Log o ( یمثلA خـالل المـادة اً وهو امتصاصیة الغشـاء الرقیـق، وان شـدة االشـعة السـاقطة تتنـاقص اسـی : [8,9]یةآلتا وفق العالقة على معامل االمتصاص الذي یمثل نسبة التناقص في طاقة االشعاع خالل المادة )α (فیكون، )3.........(.......... 303.2 t A  لألغشـیة المحضـرة) α(متصـاص االب معامـل حسـ A یةو باالعتماد على طیـف االمتصاصـ )3(من خالل العالقة لكـل مـن دالة لطاقـة الفوتـون الغشـیة اوكسـید النحـاس كتغیر معامل االمتصاص ) 3(یالحظ من الشكل .قبل وبعد التشعیع طاقـة الفوتــون قلیلـة عنــد ل كدالــة قـیم معامــل االمتصـاصان ، اذ نالحــظقبـل وبعدالتشـعیع Ǻ (3000, 1000) لسـمكینا ویعـزى eV(4.2-2.8)الطاقات الواطئة ثم یزداد بصورة سریعة بالقرب من حافة االمتصاص البصري وعند مـدى الطاقـات ،زیـادة فـي قـیم معامـل االمتصـاص مسـببةع المـادة بشـكل اكبـر ذلك الى ان زیادة السمك ادت الى زیـادة عـدد التصـادمات مـ علـــى شــكل منحنــٍى وهــذا یــدل علــى ان األغشــیة المحضــرة بهـــذه انمــا نالحــظ ان حافــة االمتصــاص ال تكــون حــادةكــذلك ،یناالمتصـاص و لكـال السـمكمعامـل فـي قـیم زیـادةامـا بعـد التشـعیع فـنالحظ .[10]تركیـب متعـدد التبلـور والطریقـة هـي ذ وأدت الـى زیــادة درجـة التبلـور التــي أثـرت فـي عملیــة االمتصـاص رفــعویعـزى السـبب فــي ذلـك الـى ان التشــعیع قـد أدى الـى . [4,10,11]عدد األلكترونات الواصلة الى حزم التوصیل فجوة الطاقة الممنوعة- أقــل حزمـة التكـافؤ الـى ل أعلــى مسـتوى النتقـال االلیكتـرون مـن بانهـا اقـل طاقــة الزمـة )gE(تعـرف فجـوة الممنوعـة وقـد تبـین مـن خـالل الدراسـة الحالیـة [12]توتعـد واحـدة مـن اهـم الصـفات البصـریة الشـباه الموصـال،حزمـة التوصـیلل مسـتوى قیمـة حسـبتبموجبهـا ر المباشـرة والتـيوهـي االنتقـاالت االلیكترونیـة المباشـرة وغیـ ،حدوث نوعین من االنتقاالت االلكترونیة : فجوة الطاقة وعلى النحو االتي A- حساب فجوة الطاقة الممنوعة لالنتقال المباشر المسموح )gE( : [11,14,16] یةتآلا العالقة امستخدبانتقال المباشر المسموح لالحساب فجوة الطاقة الممنوعة تم )4...(..........)( r gEhAh   2011) 1( 24المجلد ن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة مجلة اب :اذ ان :A األمتصاصیة،:α معامل االمتصاص، Eg :الممنوعة فجوة الطاقة، :r یمكن .معامل اسي یعتمد على نوع االنتقال .[13] یةآلتا لصیغةبا1/2) (مساویة للقیمة r) (بعد وضع قیمة الثابت 4)(اعادة كتابة المعادلة )5...().........()()( 222 g EhAEh   رسم العالقة بین وعند 2 )( h وطاقة الفوتون)h (مـن المنحنـي لیقطـع محـور طاقـة الفوتـون مد الجـزء المسـتقیموب )(0[عند 2 h [لنـا عالقـة ) 4(الشـكل یبـین .وحمالمباشـر المسـ علـى قیمـة فجـوة الطاقـة الممنوعـة لالنتقـال ثم الحصول (αE)تغیر 2 قبل وبعد Ǻ(1000 ,3000) بالسمكین اوكسید النحاسعلى أغشیة دالة لطاقة الفوتون الساقط بوصفها ن یمكــن لــوحظ ان زیـادة الســمك تـؤدي الــى نقصـان واضــح فـي قــیم فجـوة الطاقــة الممنوعـة ، وهــذا النقصـا فقـدالتشـعیع مـع المـادة وهـذا سـوف یـؤدي الـى زیـادة عــدد الفوتونـاتتفسـیره بـان زیـادة السـمك ادى الـى زیـادة واضـحة فـي عـدد تصــادمات فـي قـیم فجـوة الطاقـة نقصـان أیضـا لـوحظ اما بعد التشعیع فقـد،االلكترونات والفجوات مما یؤدي الى نقصان في فجوة الطاقة فــي زیـادة الـى بـدوره الـذي ادى )α(معامـل االمتصـاص زیـادةره بـان التشـعیع ادى الــى یمكـن تفسـی النقصـانالممنوعـة، وهـذا و ،فجـوة الطاقــة نقصــانادى الـى عـدد االلكترونـات والفجــوات ممـا زیــادةالـى ادى عـدد تصـادمات الفوتــون مـع المـادة وهــذا .ح لالغشیة قبل وبعد التشعیعقیم فجوة الطاقة البصریة المحظورة لالنتقال المباشر المسمو ) 1(الجدول یبین -B سموح المباشر المغیر فجوة الطاقة الممنوعة لالنتقال(Eg) :[17,15] یةتآلا المعادلة امستخدبانتقال غیر المباشر المسموح لالفجوة الطاقة الممنوعة حسبت )5...(..........)( r Pg EEhAh   :اذ ان )(: PE عملیة امتصاص فونون،)(: PE عملیة انبعاث فونون .[4,17]یة تلصیغة اآلبا )5(تصبح االعالقة )2(مساویة للقیمةr) (بعد وضع قیمة الثابت (5) یمكن اعادة كتابة المعادلة )6...().........()( 2 1 2 1 Pg EEhAh   2وبنرسم العالقة بین 1 )( h وطاقة الفوتون)h (الشكل في نالحظ وجود جزأین مستقیمین) (وكما یأتي 5: . متصاص فونوناعند قیم واطئة للطاقة ویمثل االنتقاالت التي یصاحبها )h(امداده یقطع الجزء االول ◄ )(0 فعندمــــــــــــــا 2 1 h Pg :الى 6)(تؤول العالقة EEh  Pg(وهذا یعني ان عملیة امتصاص فونون من الشبیكة یتطلب طاقة صغرى للفوتون مقدارها EE .( . عند قیم عالیة للطاقة ویمثل االنتقاالت التي یصاحبها انبعاث فونون)h(امداده یقطع الجزء الثاني ◄ ــــا ــــ ــــ )(0فعندمــ 2 1 h Pg : الى 6)(القة تؤول الع EEh  Pg(فونون من الشبیكة یتطلب طاقة صغرى للفوتون مقدارها انبعاثوهذا یعني ان EE .( ومن قیمتي عالقة تغیر) 5(لشكل ایوضح .(Eg)الت غیر المباشرة المسموحة قیمة فجوة الطاقة لالنتقا حسبتالتقاطعین 2/1 )αE( المماسات برسم .قبل وبعد التشعیع Ǻ(1000 ,3000)لكل من السمكین اوكسید النحاسدالة لطاقة الفوتون الغشیة 2011) 1( 24المجلد مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة فجوة الطاقة البصریة المحظورة وطاقة الفونون المرافق أستطعنا أیجادط المستقیمة الموجودة في المنحني الفضل الخطو من قیم مثیالتها قبل التشعیع أصغرفوجد ان قیم فجوة الطاقة لألغشیة كافة قید الدراسة بعد التشعیع كانت ،لهذا العملیة یبین قیم فجوة الطاقة البصریة المحظورة ) 2(الجدول یبین و .ل التشعیعلسلوكها قب ةعلما ان سلوك المنحنیات كانت مشابه .لالنتقال غیر المباشر المسموح لالغشیة قبل وبعد التشعیع االستنتاجات .المسموحة بنوعیها المباشرة وغیر المباشرة أنتقاالت الكترونیة (CuO)أغشیة تمتلك – 1 .نها تقل بأزدیاد السمك اذ ا) المباشرة وغیر المباشرة(هناك عالقة بین السمك وفجوة الطاقة - 2 .)(CuO الغشیة في معامل االمتصاصزیادة أدى التشعیع بأشعة كاما إلى - 3 ألغشیة) بنوعیها المباشرة وغیر المباشرة ( المسموحة فجوة الطاقة نقصان في قیمةأدى التشعیع بأشعة كاما إلى - 4 .(CuO) ــــالمص ادرـــ 1. Ueda,R.and M illin, J. B.(1975),Cry stal growt h and characterization, M c. Graw-Hill. 2. Tribble,A. (2002) Electrical Engineering M aterials and Devices, University of Lowa, . 3. Hass, G. and Thun, R. E., (1966)Physics of Thin Films, Academic p ress, New York,. دراسـة اثـر التلـدین وتغیــر السـمك علـى الخصــائص )6200(، هالـه عبـد الصــاحب وادي ،موسـى .4 ، رســالة "المحضــرة بطریقــة الترســیب الكیمیــائي الحــراري) Cuo(البصــریة ألغشــیة أوكســید النحــاس .ماجستیر، الجامعة المستنصریة 5. Busch, G. and Schad e, H. (1976)"Lectures on solid st ate p hy sics", Pergaman Press, London,. 6. Thangaraju, B. and Kaliannan P., (2000)Cry st al Res. Tech. 35, 71-75,. 7. Pankove J. J., (1971)"Op tical p rocesses in Semicondu ctors", p rint Ce-Hall,. 8. Willian,Dick inson, Paul, N. Cheremisionoff, (1980),So lar energy technology , Handbook Part A, p . 498,. 9. Shamala, K. M urthy , L. and Narasimha, K. (2004) “Studies on t in oxide films p repared by electron beam evaporation andsp ray py rolysis methods, . 301–295 (3) :27 ater. Sci., 10. Habubi ,N. F.; M isjal, K. A. and Atwan, A. F. (2000) The effect of fast neutron on t he op tical band gap of cobalt oxide thin film, J. of college of Education, ( 6) 41. 2011) 1( 24المجلد مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة 11. Sze, S. M . (1976), Phy sics of semicoudctor devise", 2 nd , John Wiley and Sons, Inc. Canda. 12. Al-Jammal, Y. N. (1990),So lid st ate p hy sics, p ublished by Al-M ousul University , Arabic Version. 13. Nilens, A. G. (1973),Deep imp arity in Semiconductors, Wiley- Interscience publication,. . 14. D. CHAUHAN, V. R SAT SANGI, and R. SHRIVASTAV ,( 2006) “Prep aration and characterization of nanostructured CuO thin films for p hotoelectrochemical sp litting of water” Bull. M ater. Sci., 29( 7) :709–716. 15. ., 193438 App . p hys. (1968)W. D., J. ,LuchrsG. W. and ,Anderson 16. Abu El-Fadl, A.; El-M aghr aby, E. M ., and . M ohamad, G. A. (2004) ,Influence of gamma radiation on the absorption sp ectra and optical ener gy gap of Li-dop ed ZnO thin films” Res. Technol. 39 ( 2):143-150. تــاثیر شــائبة الفلــور علــى الصــفات الضــوئیة لألغشــیة اوكســید ).1989(، امــال احمــد ،خلــف 17. ، رسـالة ماجسـتیر، قسـم الفیزیـاء، كلیــة "ائي الحـراريالمحضـرة بطریقـة الـرش الكیمیـ (CuO)النحـاس .التربیة، الجامعة المستنصریة (CuO)وكسید النحاسا الغشیة قیم فجوة الطاقة المحظورة لالنتقال المباشر المسموح :)1(جدول ع قبل وبعد التشعی Eg (eV)فجوة الطاقة البصریة السمك قبل التشعیع بعد التشعیع 2.4eV 2.85eV 1000Å 1.92eV 2.65eV 3000 Å 2011) 1( 24المجلد مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة النحاسسید اوك قیم فجوة الطاقة المحظورة لالنتقال غیر المباشر المسموح الغشیة :)2(جدول (CuO) ع قبل وبعد التشعی Eg (eV)فجوة الطاقة البصریة السمك ع قبل التشعیع بعد التشعی 1.8 eV 1.85 eV 1000Å 1.45 eV 1.70 eV 3000 Å 2011) 1( 24المجلد مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة ع): 2(شكل معامل األمتصاص كدالة لطاقة الفوتون لألغشیة المحضرة للسمكین المختلفین قبل وبعد التشعی 2011) 1( 24المجلد مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة عة لألنتقال المباشر المسموح كدالة لطاقة الفوتون للسمكین المختلفین قبل وبعد ی) : 3(شكل بین فجوة الطاقة الممنو التشعیع 2011) 1( 24المجلد مجلة ابن الهیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة عة لألنتقال غیر المباشر المسموح كدالة لطاقة الفوتون للسمكین یبین فجوة الطاقة الممنو) : 4(شكل ع المختلفین قبل وبعد التشعی