تحضير وتوصيف أغشية رقيقة نانوية البنية من أجل تطبيقات كهروضوئية

Abstract

نهدف من هذا العمل إلى تحضير أغشية رقيقة من أكسيد الزنك ZnO النقي المترسبة على ركائز زجاجية بواسطة تقنية الرش بالانحلال الحراري(SPT). تم دراسة تأثير عدة متغيرات على الخواص الفيزيائية والكيمائية لهذه الأغشية الرقيقة وأهم المعاملات المدروسة هم: ارتفاع فوهة الرش(h)، درجة حرارة الركيزة (T) ودرجة حموضة المحلول(pH)، وذلك باستخدام أسيتات الزنك(Zn(C2H3O2)2 , 2H2O) كمادة أولية. تم توصيف الأغشية المحضرة باستخدام تقنيات تحليل مختلفة كتقنية حيود الأشعة السينية (XRD)، التحليل الطيفي (UV-Visible)، المجهر الماسح الالكتروني(SEM)، مجهر القوة الذرية (AFM)، مطيافية (FTIR) وتقنية المسابر الأربعة. أظهرت النتائج المتحصل عليها أن جميع الأغشية قد تبلورت وفق البنية السداسية المتراصة وأظهرت اتجاها تفضيليا على طول المستوى البلوري(002). عند دارسة تأثير معامل ارتفاع فوهة الرش (h) بين (20-34cm)، لوحظ تزايد القد الحبيبي بزيادة ارتفاع فوهة الرش من21.6 nm إلى 40.1 nm مما يؤكد تحسين عملية التبلور، كذلك تبين أن الشفافية في المجال المرئي تتجاوز (88%). أما بالنسبة لتأثير معامل درجة حرارة الركيزة بين (250°C-450°C)، تبين تزايد قيم القد الحبيبي بارتفاع درجة الحرارة وبالتالي زيادة التبلور وبلغت قيمة الشفافية في المجال المرئي إلى(90%). بينت هذه الدراسة التحليلية أن عند المعاملات ارتفاع فوهة الرش عند (h=30cm) ودرجة حرارة الركيزة (T=400°C)هما الأمثل للحصول أغشية أكسيد الزنك ذات خصائص بنيوية وضوئية جيدة. في هذا العمل أيضا تمت دراسة تأثير معامل درجة حموضة المحلول(pH) في المجال (2.9-6.8) وذلك بإضافة حمض النتريك ((HNO3 بكميات مختلفة قطرة بقطرة للمحلول الابتدائي. أظهر تحليل (XRD) أن القد الحبيبي يزداد من nm32.3 إلى nm37.4 بانخفاض درجة الحموضة من 6.8 إلى 2.9 .تأكد بواسطة تقنية (SEM) أن حجم الحبيبات لكافة العينات تقع في منطقة المقياس النانومتري وتملك شكل كروي ومتجانس بأحجام تزداد مع تناقص درجة الحموضة للمحلول. بينت نتائج تقنية(AFM) أنه كلما تناقصت درجة حموضة المحلول ﺗﺯاﻳﺩ ﻣﻌﺩﻝ خشونة السطح (RMS) مما يدل على زيادة حجم الحبيبات. يلاحظ أن قيمة الشفافية للأغشية المحضرة تتجاوز في المتوسط %90، وقيمة الفاصل الطاقي يتناقص من eV 3.28إلى3.19 eV بانخفاض درجة الحموضة. أظهرت مطيافية(FTIR) في نطاق الترددات ( cm-1400-4000) نطاقا عريضا يتراوح بين(400-552cm-1) والذي يوافق اهتزاز تمدد الربطة (Zn-O) مما يثبت تشكل أكسيد الزنك. أظهرت الخصائص الكهربائية أن الناقلية الكهربائية للأغشية الرقيقة ZnO النقي تزداد بتناقص (pH) المحلول، تسجل أعلى قيمة تصل16.10-3(Ω.cm)-1 (pH=3.8). بفضل الخصائص الممتازة المتحصل علها للأغشية الرقيقة المحضرة منها نمو موحد وفق الاتجاه (002) والشفافية العالية في المجال المرئي فإنه يمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة كنافذة ضوئية في الخلايا الشمسية أو في الاستشعار الغازي والضوئي، بالإضافة إلى استعمالها كشرائح مثبطة للبكتيريا. Abstract: The aim of this study is to synthesize undoped ZnO thin films on glass substrates using the spray pyrolysis technique (SPT). ZnO thin films were deposited using zinc acetate (Zn(C2H3O2)2 , 2H2O) as the primary precursor under various conditions. The effect of deposition parameters, such as the distance between the nozzle and substrate (h), substrate temperature (T), and pH of the solution, on the physical and chemical properties of ZnO thin films was studied. In order to analyze and study the properties of our produced films, several characterization techniques were used, such as XRD, SEM, AFM, UV-visible, and FTIR, as well as four-probe point measurements. The results demonstrated that our ZnO films crystallized according to the wurtzite hexagonal structure with a preferred orientation in the (002) direction. For thin layers with a nozzle-to-substrate distance ranging from 20 cm to 34 cm, the grain size increased from 21.6 nm to 40.1 nm, and the optical transparency was approximately 88%. For thin layers prepared at different substrate temperatures ranging from 250°C to 500°C, the grain size was found to increase, and the optical transparency was about 90%. The thin films of zinc oxide with the best structural and optical properties were obtained with a nozzle/substrate distance of 30 cm and a temperature of 400 °C. This study examines the impact of pH solutions ranging from 6.8 to 2.9 using zinc acetate aqueous solutions acidified by different amounts of nitric acid (HNO3) drop by drop. According to the XRD analysis, depending on the pH conditions, the crystal size increased from 32.38 to 37.4 nm with a decrease in pH from 6.8 to 2.9. SEM images revealed that the membranes are crystalline and have a uniform, nanoscale surface. AFM images showed that ZnO surface roughness (RMS) increases with decreasing pH. It can be observed from the transmission spectra of the 300-900 nm wavelengths range that the optical transmission of the films is on average above 90%. The optical band gap values were found to decrease from (3.28 to 3.19eV).The FTIR spectrum in the wave number range of 400 to 4,000 cm⁻¹ displayed a broad band between 400 and 552 cm⁻¹, which was assigned to the Zn-O stretching mode. Due to the excellent properties of the synthesized films, such as single (002) orientation and high transparency, they can be used as optical windows in solar cells or polarized substrates in photocatalysis, gas sensing, and water purification, as opposed to inhibited films in antibacterial applications.