IBN AL- HAITHAM J. FOR PURE & APPL. SCI. VOL.24 (1) 2011 Influence of Irradiation on Electronic Transition of (CuO) Films Prepared by Chemical Spray Paralysis Technique D. J. Fakralden, S. A. Hamed, M. H. Abdul-Allah Department of Science, College of Basic Education , University of Mustansiriya Ministry of Education ,Directorate of Educeation of Diyala Department of Physics, College of Science, University of Diyala Received in Nov. 15, 2009 Accepted in June 30, 2010 Abstract In this research, We study the effect of irradiation by gamma rays from (Cs 137 ) source for the period time (21) days on optical propertices such as absorption coeffeicient ()and energy gap (Eg) for copper oxides thin films (CuO) prepared by the chemical spray pyrolysis and deposited on glass substrates at (350 o C) for two different thicknesses ( 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 ة تأثیرالتشـعیع بأشــعة كامـا لمصــدر (تـم فــي هـذا البحــث دراســ 137Cs ( ـ معامــل مال الخـواص البصــریة فــي تمثلـة بــ ة ألغشــیة االمتصـاص و ـبة علــى تحلـلالمحضــرة بطریقــة ال)CuO(اوكسـید النحــاس فجــوة الطاقــ ـائي الحــراري و المرسـ الكیمیـ 350) قواعد زجاجیة بدرجة حرارة o C ) 3000( ینمختلف ینسمكل وÅ,1000Å(. المقدمة ة، ال یـذوب فـي المـاء اوكسید النحاس من المواد شبه الموصلة المهمة وذلك لكونه احـد مركبـات النحـاس الكیمیائیـ ، 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 ـیر أغشــیة اوكســید .، وٕان األغشـیة المحضــرة بهــذه الطریقــة تكــون شــدیدة االلتصــاق بالقاعــد ـاسلتحضـ )CuO( النحـ الرقیقــة ـائي الحــراري، اســت لتحلــلبطریقــة ا ـاسمـــادة نتــرات عملتالكیمیــ ــادة علــى شـــكل ) Cu(NO3)2.3H2O(المائیــة النحــ وهــي مـ ـا المكــافىء وذلـــك ) mol 0.1(المحلــول بعیاریــة حّضــر، وقــد ) 91(% وبنقـــاوة) 241.60(مســحوق أزرق اللــون، وزنهـ 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( ة مناسـبة لضــمان تبریـده قبـل الـرش، ثـم وضـع فــي لحصـول علــى المحلـول تـرك الذابـة واوبعـد اكمـال عملیـة ا مـدة زمنیـ ـاء ـبه علــى القواعــد الزجاجیــة المحضـرة مســبقًا بعــد ان یــتم تنظیــف القواعــد جیــدًا بــالكحول والمـ جهـاز الــرش وبعــد رشــه وترسـ 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 oC ( وبضـغط هـواء مقــداره)105N/m2 ( ،) 10cm3/min(معدل الترسیب الذي حصلنا منه على أغشیة متجانسـة هـو وكان داخل الغرفة الزجاجیة في جهاز الرش، ة ، وبـزمن ترسـیب مقـداره تقریبـًا عـن القواعـد ) 30cm(ارتفـاع جهـاز الـرش وكـان لتجنـب التبریـد المفــاجئ ) 15sec(الزجاجیـ 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 ـة لقیـاس سـمك األغشـیة المحضـرة ، وقـد تـم أسـتخدام، بالقاعـدة اســتخدم لهـذا الغـرض میـزان حسـاس مـــن حیـثالطریقـة الوزنیـ 10(حساسـیة يذ) Mettler AE-160(نــوع -4g.( الشـكل یوضــح)ـیر تالتـي اسـتعمل التحلـلمنظومـة مخطـط ل) 1 لتحضـ .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 ة مـــــن الثقــــوب األبریة، متجانســــة وشــــدیدة ـاق بالزجــــاح وخالیــــ ــــیة وبعــــدهااأللتصــــ ـــریض هــــذه االغشـ ــــم تعـ ــع تـ ــاألشــ ة كامـــ . "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 4cm-1( احتمالیة حدوث یدل على، فذلك 2011) 1( 24المجلد الصرفة والتطبیقیة مجلة ابن الهیثم للعلوم یلة، أي αانتقال الكتروني مباشر، في حین تدل قیمة ، على احتمالیة حدوث انتقال الكتروني غیر )α<104cm-1(القل .، 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 ـة قـیم معامــل االمتصـاصان ، اذ نالحــظقبـل وبعدالتشـعیع Ǻ (3000, 1000) لسـمكینا طاقـة الفوتــون قلیلـة عنــد ل كدالـ 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- g(تعـرف فجـوة الممنوعـة E( أقــل حزمـة التكـافؤ الـى ل أعلــى مسـتوى النتقـال االلیكتـرون مـن بانهـا اقـل طاقــة الزمـة وقـد تبـین مـن خـالل الدراسـة الحالیـة [12]توتعـد واحـدة مـن اهـم الصـفات البصـریة الشـباه الموصـال،حزمـة التوصـیلل مسـتوى ة حسـبتبموجبهـا ر المباشـرة والتـيوهـي االنتقـاالت االلیكترونیـة المباشـرة وغیـ ،حدوث نوعین من االنتقاالت االلكترونیة قیمـ : فجوة الطاقة وعلى النحو االتي A- حساب فجوة الطاقة الممنوعة لالنتقال المباشر المسموح )g E( : [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 gEhAEh   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 قبل وبعد Ǻ(1000 ,3000) بالسمكین اوكسید النحاسعلى أغشیة دالة لطاقة الفوتون الساقط بوصفها 2(αE)تغیر ة ، وهــذا النقصـا فقـدالتشـعیع ن یمكــن لــوحظ ان زیـادة الســمك تـؤدي الــى نقصـان واضــح فـي قــیم فجـوة الطاقــة الممنوعـ 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 ◄ ا ــــ 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 )αE(2/1 عالقة تغیر) 5(لشكل ایوضح .(Eg)الت غیر المباشرة المسموحة قیمة فجوة الطاقة لالنتقا حسبتالتقاطعین 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 تشعیع بأشعة كاما إلى - 4 ألغشیة) بنوعیها المباشرة وغیر المباشرة ( المسموحة فجوة الطاقة نقصان في قیمةأدى ال .(CuO) ــــالمص ادرـــ 1. Ueda,R.and Millin, J. B.(1975),Crystal growth and characterization, Mc. Graw-Hill. 2. Tribble,A. (2002) Electrical Engineering Materials and Devices, University of Lowa, . 3. Hass, G. and Thun, R. E., (1966)Physics of Thin Films, Academic press, New York,. دراسـة اثـر التلـدین وتغیــر السـمك علـى الخصــائص )6200(، هالـه عبـد الصــاحب وادي ،موسـى .4 ـائي الحــراري) Cuo(البصــریة ألغشــیة أوكســید النحــاس ، رســالة "المحضــرة بطریقــة الترســیب الكیمیـ .ماجستیر، الجامعة المستنصریة 5. Busch, G. and Schade, H. (1976)"Lectures on solid state physics", Pergaman Press, London,. 6. Thangaraju, B. and Kaliannan P., (2000)Crystal Res. Tech. 35, 71-75,. 7. Pankove J. J., (1971)"Optical processes in Semiconductors", print Ce-Hall,. 8. Willian,Dickinson, Paul, N. Cheremisionoff, (1980),Solar energy technology, Handbook Part A, p. 498,. 9. Shamala, K. Murthy, L. and Narasimha, K. (2004) “Studies on tin oxide films prepared by electron beam evaporation andspray pyrolysis methods, . 301–295 (3):27 ater. Sci., 10. Habubi ,N. F.; Misjal, K. A. and Atwan, A. F. (2000) The effect of fast neutron on the optical 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), Physics of semicoudctor devise", 2nd, John Wiley and Sons, Inc. Canda. 12. Al-Jammal, Y. N. (1990),Solid state physics, published by Al-Mousul University , Arabic Version. 13. Nilens, A. G. (1973),Deep imparity in Semiconductors, Wiley- Interscience publication,. . 14. D. CHAUHAN, V. R SATSANGI, and R. SHRIVASTAV ,( 2006) “Preparation and characterization of nanostructured CuO thin films for photoelectrochemical splitting of water” Bull. Mater. Sci., 29( 7) :709–716. 15. ., 193438 App. phys. (1968)W. D., J. ,LuchrsG. W. and ,Anderson 16. Abu El-Fadl, A.; El-Maghraby, E. M., and . Mohamad, G. A. (2004) ,Influence of gamma radiation on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films” Res. Technol. 39 ( 2):143-150. ـال احمــد ،خلــف 17. ـائبة الفلــور علــى الصــفات الضــوئیة لألغشــیة اوكســید ).1989(، امـ ـاثیر شـ تـ ، 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 بین فجوة الطاقة الممنوعة لألنتقال المباشر المسموح كدالة لطاقة الفوتون للسمكین المختلفین قبل وبعد ی) : 3(شكل 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