| Περίληψη |
Το οξείδιο του ψευδαργύρου (ΖnΟ) είναι από τα πιο ευρέως μελετημένα υλικά οξειδίου του μετάλλου, το οποίο τα τελευταία χρόνια έχει γίνει πολύ δημοφιλές υλικό λόγω των μεγάλων δυνατοτήτων του σε διάφορες εφαρμογές, όπως οπτοηλεκτρονικές συσκευές, οπτικούς κυματοδηγούς, αισθητήρες αερίου κλπ.
Σε αυτή τη μεταπτυχιακή εργασία παρασκευάστηκαν λεπτά υμένια καθαρού (χωρίς προσμίξεις) ΖnΟ και λεπτά υμένια ΖnΟ με προσμίξεις χαλκού (ZnO:Cu), χρησιμοποιώντας νιτρικό ψευδάργυρο ως πρόδρομο διάλυμα πάνω σε γυάλινο (άμορφο) υπόστρωμα με τη μέθοδο πυρόλυσης ψεκασμού. Η εναπόθεση έγινε μεταβάλλοντας κάποιες συνθήκες εναπόθεσης, όπως τη συγκέντρωση του πρόδρομου διαλύματος, τη χρονική διάρκεια της εναπόθεσης και το επίπεδο των προσμίξεων Cu, διατηρώντας ταυτόχρονα σταθερές τις διάφορες παραμέτρους της τεχνικής (όπως τη θερμοκρασία υποστρώματος, την πίεση του φέροντος αερίου κλπ). Ο κύριος στόχος της εργασίας είναι να διερευνηθούν οι επιπτώσεις της μεταβολής των συνθηκών εναπόθεσης στις δομικές, οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των ΖnΟ και ZnO:Cu , καθώς και στην επιφανειακή τους μορφολογία. Επίσης, ερευνήθηκε η επίδραση της μεταβολής των συνθηκών εναπόθεσης και των ιδιοτήτων των υμενίων στη διαβρεξιμότητα της επιφάνειας και στη φωτοκαταλυτική τους δράση.
Ο δομικός χαρακτηρισμός δείχνει ότι τα ΖnΟ και ZnO:Cu υμένια είναι πολυκρυσταλλικά με εξαγωνική δομή wurtzite, προσανατολισμένα κυρίως (τα περισσότερα από αυτά) κατά μήκος του άξονα c, κάθετα προς την επιφάνεια του υποστρώματος. Από τα XRD δεδομένα των χωρίς προσμίξεις υμενίων του ZnO, βρέθηκε ότι με την αύξηση στη συγκέντρωση του πρόδρομου διαλύματος, και στους δυο χρόνους εναπόθεσης, το μέσο μέγεθος κόκκου κατά μήκος του άξονα c αυξάνεται, ενώ οι δομικές διαταραχές μειώνονται (δηλαδή η κρυσταλλική ποιότητα των υμενίων σταδιακά βελτιώνεται), ταυτόχρονα όμως εμφανίστηκαν περισσότεροι κρυσταλλίτες προσανατολισμένοι προς διάφορες άλλες κατευθύνσεις επιδεινώνοντας τη συνολική κρυσταλλικότητα των υμενίων. Η μελέτη της δομής των ZnO:Cu υμενίων, αντίθετα, δείχνει ότι με την αύξηση της συγκέντρωσης των προσμίξεων χαλκού, και στους δυο χρόνους εναπόθεσης, το μέγεθος κόκκου μειώνεται, ενώ οι δομικές διαταραχές αυξάνονται και αλλάζει ο προτιμώμενος προσανατολισμός.
Σύμφωνα με τις εικόνες SEM, τα καθαρά υμένια του ZnO εμφανίζουν μια σχετικά πυκνή συμπαγής και συνεχής επιφανειακή μορφολογία χωρίς ρωγμές αλλά με προεξοχές, ή/και οπές και με διάφορους σχηματισμούς με μορφή στάμπας. Η μορφολογία αυτή φαίνεται να μην τροποποιείται σημαντικά με την αύξηση της συγκέντρωσης του πρόδρομου διαλύματος και του χρόνου εναπόθεσης, αν και στα δείγματα μεγαλύτερης συγκέντρωσης η επιφάνεια εμφανίζεται να είναι πιο τραχιά. Στις εικόνες SEM επίσης παρατηρήθηκε ότι οι επιφάνειες αποτελούνται από μικρά σχεδόν σφαιρικά σωματίδια διαφόρων μεγεθών της τάξης των νανομέτρων (50-400 nm, περίπου), τα οποία κατανέμονται με μη ομοιόμορφο τρόπο σε όλη την επιφάνεια, ενώ σε αρκετές περιπτώσεις εμφανίζονται να είναι σε μια πυκνή και συμπαγή συνάθροιση στην περιοχή της μικροκλίμακας. Η μορφολογία της επιφάνειας των ZnO:Cu εμφανίζει διαφοροποιήσεις σε σχέση με αυτή των καθαρών υμενίων του ZnO. Οι επιφάνειες των ZnO:Cu είναι αρκετά ομαλές και ομοιόμορφες, ενώ τα σφαιρικά σωματίδια και τα συσσωματώματά τους ελαττώνονται σε μέγεθος με την αύξηση της συγκέντρωσης των προσμίξεων χαλκού, και στους δυο χρόνους εναπόθεσης.
Η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των καθαρών υμενίων ZnO δείχνει δραστική μείωση της διαπερατότητας και αύξηση στην απορρόφησή τους στην ορατή περιοχή του Η/Μ φάσματος με τη μεταβολή των συνθηκών εναπόθεσης. Μια ανάλογη συμπεριφορά έχουν και τα ZnO:Cu με την αύξηση της συγκέντρωσης των προσμίξεων χαλκού και στους δυο χρόνους εναπόθεσης. Τα οπτικά φάσματα απορρόφησης όλων των υμενίων εμφανίζουν επίσης ένα απότομο άκρο στα 380-400 nm, το οποίο αντιστοιχεί στο ενεργειακό τους χάσμα (Eg). Το ενεργειακό χάσμα των καθαρών υμενίων ZnO εμφανίζει μια σχετικά μικρή μείωση με τη μεταβολή των συνθηκών εναπόθεσης, ενώ το ίδιο συμβαίνει και στα ZnO:Cu με την αύξηση της συγκέντρωσης των προσμίξεων χαλκού και στους δυο χρόνους εναπόθεσης. Σε όλες τις περιπτώσεις, το ενεργειακό χάσμα των υμενίων εμφανίζεται μικρότερο από την τιμή του στοιχειομετρικού bulk ZnO (≈ 3,34 eV).
Λόγω της υψηλής αντίστασης που εμφανίζουν τα υμένια σε αυτή την εργασία δεν ήταν δυνατόν να πραγματοποιηθούν μετρήσεις Hall, ώστε να προσδιοριστεί ο τύπος αγωγιμότητας (n-τύπου ή p-τύπου) των υμενίων. Ωστόσο πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις του επιφανειακού ρεύματος σε δυο περιπτώσεις: 1) στο σκοτάδι και 2) υπό την επίδραση της UV ακτινοβολίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν μια τάση μείωσης του επιφανειακού ρεύματος στα καθαρά υμένια ZnO και στις δυο περιπτώσεις μετρήσεων με τη μεταβολή των συνθηκών εναπόθεσης, ενώ το ίδιο συμβαίνει και στα ZnO:Cu, υμένια με την αύξηση της συγκέντρωσης των προσμίξεων χαλκού και στους δυο χρόνους εναπόθεσης.
|
Αυτοκαθαριζόμενες και φωτοκαταλυτικές ιδιότητες επιφανειών με ενώσεις οξειδίου του Zn (ZnO)
