بعد از برخورد نور قطبیده شده به نمونه و بازتاب از سطح نمونه و به ترتیب پس از عبور از جبران کننده دیگر و همچنین عبور از قطبی کننده دوم که آنالیزور نامیده می شود، به آشکار ساز می رسد تا شدت آن تعیین شود. در نهایت متغییر های بیضی سنجی ( و)از رابطه اصلی بیضی سنجی محاسبه می گردند و با مدل سازی این توابع به وسیله بانک اطلاعاتی، می توان به خواص نوری لایه پی برد. نقشه خواص در یک ناحیه مشخص سطح با بهره گرفتن از بیضی سنجی نیز امکان پذیر است. شکل زیر طرح واره ای از دستگاه بیضی سنج را نشان می دهد.
شکل (۳-۱۲) طرح واره بیضی سنج که شامل منبع نور، قطبی کننده، جبران کننده، آنالیزور و آشکارساز است
در بیضی سنجی، زاویه تابش برابر با زوایه بازتاب است. نور با قطبش موازی یا عمود بر صفحه تابش (صفحه تابش عمود بر نمونه است) به تر تیب نور قطبیده P وS نامیده می شود(شکل ۳-۱۳). دو تابش تقویت شده S و P بعد از بازتاب از سطح به حالت اولیه خود بر می گردند که به ترتیب دارای دامنه های و هستند و نسبت به بر اساس معادله زیر اندازه گیری می شود :
p تغییرات قطبش، () tan نسبت دامنه بازتاب است که نسبت تغییرات برای نوربا قطبش s و p را نشان می دهد و بیانگر جابه جایی نسبی فاز است که در بیضی سنجی این دو کمیت (tan() و ) اندازه گیری می شود. بیانگر مؤلفه نوسانی در صفحه و مؤلفه نوسانی عمود بر صفحه فرود است (شکل۳-۱۳)با توجه به این نسبت دو مقدار اندازه گیری می شود، بیضی سنجی روشی دقیق و تکرار پذیر است، بیضی سنجی به پخش نور حساس نیست و در آن نیازی به نمونه مرجع برای تصحیح روش وجود ندارد. در نمونه هایی که لایه از نظر نوری کاملاً یکنواخت، همگن و هماسنگر باشد، با بهره گرفتن از داده های و به طور مستقیم می توان خواص مواد را به دست آورد، اما در نمونه هایی پیچیده تر، با در نظر گرفتن ثابت های نور مانند تابع دی الکتریک یا ضریب شکست و پارامترهای ضخامت هر یک از لایه ها بایستی یک مدل طراحی شود.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
شکل (۳-۱۳) در بیضی سنجی زاویه تابش با زاویه بازتاب برابر است.
در بیضی سنجی برای هر طول موج طیف، حداقل دو کمیت اندازه گیری می شود و در این روش نسبت شدت ها به جای شدت اندازه گیری می شود. بنابراین این روش کمتر تحت تأثیر شرایط محیط، تغییر شدت نور منبع است. بیضی سنجی بی نیاز از اندازه گیری مرجع است[۵۱-۵۳] .
فصل ۴
کارهای آزمایشگاهی، بحث و نتیجه گیری
مقدمه
از گروه II-VI جدول تناوبی می باشد. اکسید روی خواصی مانند نیمه رسانایی و پیزو الکتریسیته را از خود نشان می دهد. به دلیل داشتن گاف نواری مستقیم ۳۷/۳ الکترون ولت (در دمای اتاق) و انرژی پیوند ۶۰ میلی الکترون ولت (انرژی تحریک زیاد)، شفافیت خوب و موبیلیتی الکترون بالا به عنوان یک نیمه هادی مهم مطرح است. همچنین با داشتن نشر نزدیک به ماوراء بنفش و خصوصیات نوری و الکتریکی خاص، در حسگرها بسیار کاربرد دارد و می توان از آن در پوشش های رسانای اکسیدی با قابلیت عبور دهی بالا برای سلول های خورشیدی، آشکار سازی های نوری فرا بنفش، تشدید کننده های موج های صوتی بزرگ، به عنوان جاذب شیمیایی، الکترود شفاف زیر لایه ای، قطعات اپتوالکترونیک و پیزوالکتریک استفاده کرد.
دارای ویژگی های سطحی، مورفولوژی و نیز پایداری شیمیایی و حرارتی در شرایط عملی می باشد و می توان از آن به عنوان زیر لایه در فرایند لایه نشانی و تولید لایه های نازک استفاده کرد[۵۴-۵۵] .
تحقیقات انجام شده در سال های اخیر در این زمینه نشان می دهد که آلایش لایه های نازک با یک فلز واسطه، برروی خواص اپتیکی، مغناطیسی و الکتریکی لایه های تشکیل شده تأثیر به سزایی دارد در اثر آلایش با یک فلز واسطه از جمله Mn، یون های Mn جایگاه های کاتیون های اکسید روی را اشغال می کنند و به این صورت به نوع جدیدی از نیمه هادی ها دست یافته ایم که کاربرد های فراوانی در صنایع الکترونیک و فوتونیک دارند.
در این فصل ابتدا طرز تهیه لایه های نازک به روش سل – ژل را بررسی کرده و پس از آن خواص اپتیکی لایه های بدست آمده توسط دستگاه بیضی نگاری در زاویه ۷۰ درجه اندازه گیری شدند و سپس نمودار های حاصل از آلایش با Mn توسط نرم افزار مطلب رسم گردید و در نهایت نحوه تغییرات ضریب شکست بر حسب انرژی از روی نمودار های بدست آمده بررسی می شوند.
۴-۱ روش های عملی و ساخت نمونه ها
همان طور که در فصل اول اشاره کردیم روش های فیزیکی و شیمیایی زیادی برای لایه نشانی وجود دارد که از جمله این روش ها می توان به انواع روش های لایه نشانی PVD و CVD و. . . اشاره کرد، اما ما در این تحقیق روش لایه نشانی سل – ژل را برای جا نشانی Mn برروی انتخاب کرده ایم.
روش سل – ژل یکی از بهترین روش هایی است که می توان به وسیله آن لایه های نازک متعددی را در مقیاس های بزرگ در ضخامت های مختلف تهیه کرد.
برای تهیه لایه های نازک به روش سل – ژل، هیدرات استات روی را به عنوان پیش ماده انتخاب کردیم. و به ترتیب به عنوان حلال و پایاساز به کار برده شدند. و از به عنوان منبع آلایش Mn در اکسید روی استفاده شد. ابتدا هیدرات استات روی و آلایشگر در ترکیبی از و MEA در دمای اتاق حل شدند. نسبت مولی MEA به استات روی برابر یک و میزان استات روی ۳/۰ مولار بود. برای بدست آوردن سل، محلول حاصل به مدت یک ساعت در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد در هم زن به هم زده شد و در نهایت یک محلول همگن بدست آمد. پس از تهیه محلول همگن، نانولایه هایی با بهره گرفتن از دستگاه اسپین کوتینگ روی زیر لایه های شیشه ای با ضخامت های مختلف لایه نشانی شدند. سپس لایه های تولید شده درون کوره دیجیتالی قرار گرفتند. دمای کوره ابتدا با آهنگ دو درجه سانتیگراد بر دقیقه تا دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد بالا رفته و به مدت ۱۰ دقیقه در این دما متوقف می شود، سپس در مرحله آخر، دما با همان آهنگ تا دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد بالا رفته و به مدت یک ساعت در آن دما باقی می ماند.
خواص اپتیکی لایه های بدست آمده توسط دستگاه بیضی نگاری در زاویه ۷۰ درجه اندازه گیری شدند و پس از آنالیز داده های بدست آمده نمودار های حاصل از آلایش با Mn رسم شدند. و در آخر چگونگی تغییرات ضریب شکست بر حسب انرژی از روی نمودار های بدست آمده بررسی شدند.
در این جا لازم است خاطر نشان کنیم طیف سنج بیضی نگاری به طور مستقیم مشخصاتی مانند ضریب شکست یا تابع دی الکتریک را اندازه گیری نمی کند بلکه و را اندازه می گیرد. بنابراین نیاز به اعمال مدلی که وابسته به آنالیز های اندازه گیری شده و باشد. دارد تا در نهایت بتوان پارامتر های اپتیکی را از آن استخراج نمود. پس از بدست آوردن داده ها در محدوده طیفی مناسب در زوایای مختلف تابش، مدل هایی براساس ساختار اپتیکی زیر لایه و نمونه در نظر گرفته می شود. در طیف سنج بیضی نگاری در نیمه هادی ها، زاویه تابش به طور مایل است و در محدوده ۶۰ تا ۸۰ درجه اندازه گیری می شود. به این ترتیب معادلات فرنل برای پیش بینی مقادیر مورد نظر و که بر اساس مدل می باشد استفاده می شود و با مقادیر اندازه گیری شده و مقایسه می گردد. این بدین معنی است که طیف بدست آمده و از اندازه گیری نمونه را به وسیله نرم افزارفیت کنیم. در آنالیز بیضی نگاری یک فیت خوب زمانی است که تفاوت بین داده های اندازه گیری شده و تولید شده به مقدار مطلوبی برسد. این نشان می دهد که مدل ساخته شده اطلاعات درستی از خصوصیات اپتیکی نمونه شامل ضخامت ضریب شکست و یا اطلاعات نا صافی سطح را به دست می دهد.
لازم به ذکر است که در این پایان نامه ناهمواری های سطح لایه های نازک بدست آمده را با دستگاه میکروسکوپ هم کانونی اندازه گرفتیم و میزان ناهمواری سطح را توسط این دستگاه بررسی کردیم.
۴-۲ اندازه گیری ناهمواری سطح و بستگی ضرایب اپتیکی به آن
ما در این پایان نامه برای بدست آوردن ناهمواری لایه های نازک تولید شده ZnO : Mn از دستگاه میکروسکوپ هم کانونی استفاده کردیم، بدین صورت که در این جا ما شش نمونه با ضخامت های مختلف توسط روش سل - ژل تهیه کردیم که سه نمونه اول با نام های به ترتیب با ضخامت های ۲۹۸٫۴۹ ؛ ۱۰۸٫۶۹ و ۴۵٫۷۸ و سه نمونه دیگر با نام های به ترتیب با ضخامت های ۳۳۷٫۸۰ ؛ ۳۱۱٫۳۹ و ۹۹٫۶۲ در دستگاه اسپین کوتینگ لایه نشانی شدند، حال ما ۶ نمونه داریم که می خواهیم ناهمواری های آنها را با دستگاه میکروسکوپ هم کانونی اندازه بگیریم و سپس تاثیر ناهمواری را بر روی ضرایب اپتیکی بررسی کنیم ،
همان طوری که در فصل پیش به آن اشاره کردیم در این دستگاه وقتی که نمونه در زیر میکروسکوپ کانفوکال قرار می گیرد توسط یک منبع نور LED بر روی سطح نمونه نوری تابیده می شود، نور تابیده شده در همان نقطه که به سطح نمونه می تابد از همان نقطه دوباره منعکس شده و کاهش پیدا می کند زیرا مقداری از نور جذب نمونه شده و در آن انتشار می یابد و بقیه نور تابیده شده به دوربین CCD دستگاه می رسد، با توجه به عملکرد دستگاه ما می توانیم توسط قسمت کامپیوتری دستگاه ناهمواری نمونه را اندازه گیری کنیم.
نمودار ناهمواری بر حسب ضخامت برای نمونه را توسط دستگاه هم کانونی به شکل زیر بدست آوردیم.
شکل (۴-۱) نمودار ناهمواری برای نمونه
که در این نمودار میزان ناهمواری سطح را که با Ra نشان می دهیم برابر است با :
Ra= 0. 019
و همچنین مقدار مؤثر را که با Rq نشان می دهیم و عبارت است از جذر میانگین مربعات میزان ناهمواری برای این نمونه برابر است با : Rq= 0. 041
و همچنین مقدار ماکزیمم ارتفاع ناهمواری سطح را که با Rz نشان می دهیم مقدار ماکزیمم ناهمواری کل سطح را که با نشان می دهیم با هم برابرند و مقدار آنها برای این نمونه برابر است با :
Rz = = 0. 104
به همین ترتیب نمودار ناهمورای برای نمونه توسط دستگاه کانفوکال به شکل زیر بدست آمده :
شکل (۴-۲) نمودار ناهمواری برای نمونه
که در این نمودار نیز میزان ناهمواری سطح برابر است با :
Ra = 0. 051
و مقدار مؤثر Rq برابر است با :
Rq = 0. 133
و مقدار ماکزیمم ارتفاع ناهمواری کل سطح برابر است با :
Rz = = 0. 216
نمودار ناهمواری برای نمونه توسط دستگاه کانفوکال به شکل زیر بدست آمده :
شکل (۴-۳) نمودار ناهمواری برای نمونه
که در این نمودار میزان ناهمواری سطح برابر است با :
Ra = 0. 065
و مقدار مؤثر Rq برابر است با :
Rq = 0. 081
و مقدار ماکزیمم ارتفاع ناهمواری و ماکزیمم ناهمواری کل سطح برابر است با :
Rz = = 0. 293
نمودار ناهمواری برای نمونه توسط دستگاه کانفوکال به شکل زیر بدست آمد :
