«Нанокеуектікремнийдің тунелді өткелінен құралған шалғай - барьерлік sno2/n-si күн элементін зерттеу»
КІРІСПЕ
1.БАСТЫ БӨЛІМ
1.1 Кремний күн элементі туралы жалпы мәлімет
1.2 Күн элементінің жұмыс істеу принципі
1.3 SnO2 мөлдір қабатының оптикалық қасиеттері
1.4 SnO2.Si беттік барьерлік құрылымдары
1.5 Кеуек кремнийдің айрықша қасиеттері
2. ТӘЖІРИБЕ МЕТОДИКАСЫ
2.1 Кеуек кремний қабаттарын қалыптастыру әдісі
2.2 SnO2 кері шағылысу қабатын қалыптастыру әдісі
2.3 SnO2/por.Si/n.Si құрылымын орнату
2.4 Алынған күн элементінің спектралдық сипаттамасын түсіру
әдісі
2.5 Жасалынған күн элементінің вольтамперлік cипаттамасын
түсіру тәсілі
3. ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕСІН ТАЛҚЫЛАУ
3.1 Кеуек кремний үлпісінің оптикалық қасиеттері
3.2 Алынған күн элементінің спектралдық сипаттамасын зерттеу
3.3 Жасалынған күн элементінің вольтамперлік сипаттамасын зерттеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1.БАСТЫ БӨЛІМ
1.1 Кремний күн элементі туралы жалпы мәлімет
1.2 Күн элементінің жұмыс істеу принципі
1.3 SnO2 мөлдір қабатының оптикалық қасиеттері
1.4 SnO2.Si беттік барьерлік құрылымдары
1.5 Кеуек кремнийдің айрықша қасиеттері
2. ТӘЖІРИБЕ МЕТОДИКАСЫ
2.1 Кеуек кремний қабаттарын қалыптастыру әдісі
2.2 SnO2 кері шағылысу қабатын қалыптастыру әдісі
2.3 SnO2/por.Si/n.Si құрылымын орнату
2.4 Алынған күн элементінің спектралдық сипаттамасын түсіру
әдісі
2.5 Жасалынған күн элементінің вольтамперлік cипаттамасын
түсіру тәсілі
3. ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕСІН ТАЛҚЫЛАУ
3.1 Кеуек кремний үлпісінің оптикалық қасиеттері
3.2 Алынған күн элементінің спектралдық сипаттамасын зерттеу
3.3 Жасалынған күн элементінің вольтамперлік сипаттамасын зерттеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
Ғалымдардың болжамы бойынша, көмір, мұнай және табиғи газ, яғни адамзаттар дағдыланған сол энергия көздері, экономикасы мол елдерге қатынасты әлі де 50-60 жылға дейін жетеді. Бүгін көп елдердің үкіметтері қосымша электр көздерін іздестіруде белсенді қаржы салынып жатыр, айталық күн энергиясын дамытуда. Ғаламдық энергетика мәселелерін шешуде шет елдің және Казақстанның қөптеген үлкен және кіші компанияларының қүш салуының арқасында қол жеткізіп отыр. Бұған Қазақстанның жоғары оқу орындары да, қалыспай ат салысып отыр.
Күн элементін құрастыруда әртүрлі технологиялық шешімдері бар, айталық барлық күн элементтерін жасауда, кремний жартылай өткізгішінің p-n ауысуымен тығыз байланысты екені белгілі . Диффузиялық p-n ауысуы 900-1000°С жоғарғы температуралық режімінде жүргізіледі, бұл көп энергия қуатын жұмсауға, технологиялық үдерістердің ұзартылуына алып келеді.
Сондықтан күн элементін зерттеушілер, құрастырушылар күн элементін дайындауда ыңғайлы, қарапайым және жеңіл жолдарын қарастыруда. Айталық, атом қоспаларын кремний бетіне иондық имплантация әдісімен енгізу, содан кейін пайда болған құрылымның ақауларын «емдеу» үшін жоғары температурада қыздыру жолы . Немесе, соңғы кезде Шоттки металл тосқауын қолдану арқылы металл-кремний ауысуын қалыптастыру әдісі жиі қолданып келеді, өйткені бұның жасалу жолы өте жеңіл.
Кейбір жұмыстарда , метал мен кремнийдің арасына, тунельлдік ауысу қағидасына негізделген, жұқа кремний тотығы SiO2 отырғызылады, яғни бұл қабат күн элементінің қуаттылығын және эффективтілігін көтереді. Бірақта, өте жұқа кремний т13отығының қалыңдығы ~2-4 нм бірқалыпты қабатын орнату қиын мәселе.
Берілген жұмыста беттік-барьерлік Шоттки қабаты ретінде SnO2 диэлектрлік қабыршағын қолдандық, бұл үдерісте SnO2 қабыршағы зерттеушілерді қызықтыратын үш қасиетімен толықтырады. Біріншіден бұл қабаттың ерекшілігі ток өткізгіш қаблеттілігі және толқын ұзындығының кең диапазонындағы жарық өткізгіштігі, сонымен қатар SnO2 қабаты, n-Si жартылай өткізгішімен энергетикалық гетероқұрылымын қалыптастырады.
Бұл жұмыстың тағы бір ерекшілігі жоғарыда айтылғандай, тунельдік SiO2 ауысу қабаты ретінде кремний нанокеуек үлпісін қолдандық, бұл қабатты электрохимиялық анодтау жолымен қалыптастыру, қарапайым және жеңіл болып келеді. Сондықтан беттік-барерлік SnO2/n-Si күн элементін жеңіл әдіспен жасау және оны зерттеу өте маңызды және актуальді болып табылады.
Күн элементін құрастыруда әртүрлі технологиялық шешімдері бар, айталық барлық күн элементтерін жасауда, кремний жартылай өткізгішінің p-n ауысуымен тығыз байланысты екені белгілі . Диффузиялық p-n ауысуы 900-1000°С жоғарғы температуралық режімінде жүргізіледі, бұл көп энергия қуатын жұмсауға, технологиялық үдерістердің ұзартылуына алып келеді.
Сондықтан күн элементін зерттеушілер, құрастырушылар күн элементін дайындауда ыңғайлы, қарапайым және жеңіл жолдарын қарастыруда. Айталық, атом қоспаларын кремний бетіне иондық имплантация әдісімен енгізу, содан кейін пайда болған құрылымның ақауларын «емдеу» үшін жоғары температурада қыздыру жолы . Немесе, соңғы кезде Шоттки металл тосқауын қолдану арқылы металл-кремний ауысуын қалыптастыру әдісі жиі қолданып келеді, өйткені бұның жасалу жолы өте жеңіл.
Кейбір жұмыстарда , метал мен кремнийдің арасына, тунельлдік ауысу қағидасына негізделген, жұқа кремний тотығы SiO2 отырғызылады, яғни бұл қабат күн элементінің қуаттылығын және эффективтілігін көтереді. Бірақта, өте жұқа кремний т13отығының қалыңдығы ~2-4 нм бірқалыпты қабатын орнату қиын мәселе.
Берілген жұмыста беттік-барьерлік Шоттки қабаты ретінде SnO2 диэлектрлік қабыршағын қолдандық, бұл үдерісте SnO2 қабыршағы зерттеушілерді қызықтыратын үш қасиетімен толықтырады. Біріншіден бұл қабаттың ерекшілігі ток өткізгіш қаблеттілігі және толқын ұзындығының кең диапазонындағы жарық өткізгіштігі, сонымен қатар SnO2 қабаты, n-Si жартылай өткізгішімен энергетикалық гетероқұрылымын қалыптастырады.
Бұл жұмыстың тағы бір ерекшілігі жоғарыда айтылғандай, тунельдік SiO2 ауысу қабаты ретінде кремний нанокеуек үлпісін қолдандық, бұл қабатты электрохимиялық анодтау жолымен қалыптастыру, қарапайым және жеңіл болып келеді. Сондықтан беттік-барерлік SnO2/n-Si күн элементін жеңіл әдіспен жасау және оны зерттеу өте маңызды және актуальді болып табылады.
[1] М.М.Колтун.Солнечные элементы.«Планета Земля и Вселенная».Москва«Наука».1987
[2]. Samson S., Fonstad C.G. // J. Appl. Phys. 1973. V. 44. N 10. P. 4618{4621.
[3] Fonstad C.G., Rediker R.H. // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. N 7. P. 2911{2918.
[4] M.-M. Bagheri-Mohagheghi, M. Shokooh-Saremi. Semicond.
Sci. Technol., 19, 764 (2004).
[5] J.D. Prades, R. Jimenez-Diaz, F. Hernandez-Ramirez, S. Barth,
A. Cirera, A. Romano-Rodriguez, S. Mathur, J.R. Morante.
Sensors Actuators B, 140, 337 (2009).
[6] M. Rekas, Z. Szklarski. Bull. Polish Academy Sci. Chem., 44,
155 (1996).
[7] J. Watson, K. Ihokura, G.S.V. Colest. Meas. Sci. Technol., 4,
[8] C. Xu, J. Tamaki, N. Miura, N. Yamazoe. Sensors and
Actuators B, 3, 147 (1991).
[9] R. Summitt. J. Appl. Phys., 39, 3762 (1968).
[10] Y.X. Liang, Y.J. Chen, T.H. Wang. Appl. Phys. Lett., 85 (4),
666 (2004).
[11] R. Angelucci, A. Poggi, L. Dori, G.C. Cardinali, A. Parisini,
A. Tagliani, M. Mariasaldi, F. Cavani. Sensors Actuators A,
74, 95 (1999).
[12] C. Cobianu, C. Savaniu, O. Buiu, D. Dascalu, M. Zaharescu,
C. Parlog, A. van den Berg, B. Pecz. Sensors Actuators B, 43,
114 (1997).
[13] U. Gruning, A. Yelon. Thin Sol. Films, 255, 135 (1995).
[14] Saucedo E. Mimila-Arroyo J.A 14% efficiciency SnOx- SiO2-(n) Si solar cell.New York,N.Y. 1980,1370-1375(angl).
[15] N.P. Maruska, T.Feng, A.K. Ghosh, and D.J.Eustace, Proc. of 15th IEEE Photovoltaic Specialists Conf. (IEEE, 1981) P. 1412.
[16] Полупроводниковые фотоприемники.Ультрафиолетовый, видимый и ближний ИК диапазон спектра. Под ред.Стафеева В.И. - М., Радио и связь, 1984.
[17] Бузанова Л.К., Глиберман А.Я. Полупроводниковые фотоприемники. - М., Энергия, 1976.
[18] А.Амброзяк. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов. М., "Сов. радио", 1970г.
[19] А.М.Васильев, А.П.Ландсман. Полупроводниковые фотопреобразователи.- М., "Сов.
[20] ІNT.J.ELEKTRONІCS, 1982, VOL 52, 6, р.589-595.
[21] Сайланбек С. Нанокеуекті кремнийдің тунелді өткелінен құралғаншалғай - барьерлік SnO2/n-Si күн элементін зерттеу– Сб. Тезисов ХХ Международнаяконференция молодых ученых «Мир науки», Алматы, 2012, С. 92.
[2]. Samson S., Fonstad C.G. // J. Appl. Phys. 1973. V. 44. N 10. P. 4618{4621.
[3] Fonstad C.G., Rediker R.H. // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. N 7. P. 2911{2918.
[4] M.-M. Bagheri-Mohagheghi, M. Shokooh-Saremi. Semicond.
Sci. Technol., 19, 764 (2004).
[5] J.D. Prades, R. Jimenez-Diaz, F. Hernandez-Ramirez, S. Barth,
A. Cirera, A. Romano-Rodriguez, S. Mathur, J.R. Morante.
Sensors Actuators B, 140, 337 (2009).
[6] M. Rekas, Z. Szklarski. Bull. Polish Academy Sci. Chem., 44,
155 (1996).
[7] J. Watson, K. Ihokura, G.S.V. Colest. Meas. Sci. Technol., 4,
[8] C. Xu, J. Tamaki, N. Miura, N. Yamazoe. Sensors and
Actuators B, 3, 147 (1991).
[9] R. Summitt. J. Appl. Phys., 39, 3762 (1968).
[10] Y.X. Liang, Y.J. Chen, T.H. Wang. Appl. Phys. Lett., 85 (4),
666 (2004).
[11] R. Angelucci, A. Poggi, L. Dori, G.C. Cardinali, A. Parisini,
A. Tagliani, M. Mariasaldi, F. Cavani. Sensors Actuators A,
74, 95 (1999).
[12] C. Cobianu, C. Savaniu, O. Buiu, D. Dascalu, M. Zaharescu,
C. Parlog, A. van den Berg, B. Pecz. Sensors Actuators B, 43,
114 (1997).
[13] U. Gruning, A. Yelon. Thin Sol. Films, 255, 135 (1995).
[14] Saucedo E. Mimila-Arroyo J.A 14% efficiciency SnOx- SiO2-(n) Si solar cell.New York,N.Y. 1980,1370-1375(angl).
[15] N.P. Maruska, T.Feng, A.K. Ghosh, and D.J.Eustace, Proc. of 15th IEEE Photovoltaic Specialists Conf. (IEEE, 1981) P. 1412.
[16] Полупроводниковые фотоприемники.Ультрафиолетовый, видимый и ближний ИК диапазон спектра. Под ред.Стафеева В.И. - М., Радио и связь, 1984.
[17] Бузанова Л.К., Глиберман А.Я. Полупроводниковые фотоприемники. - М., Энергия, 1976.
[18] А.Амброзяк. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов. М., "Сов. радио", 1970г.
[19] А.М.Васильев, А.П.Ландсман. Полупроводниковые фотопреобразователи.- М., "Сов.
[20] ІNT.J.ELEKTRONІCS, 1982, VOL 52, 6, р.589-595.
[21] Сайланбек С. Нанокеуекті кремнийдің тунелді өткелінен құралғаншалғай - барьерлік SnO2/n-Si күн элементін зерттеу– Сб. Тезисов ХХ Международнаяконференция молодых ученых «Мир науки», Алматы, 2012, С. 92.
Қазақстан Республикасының Білім және Ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Сайланбек Серікбек
НАНОКЕУЕКТІКРЕМНИЙДІҢ ТУНЕЛДІ ӨТКЕЛІНЕН ҚҰРАЛҒАН ШАЛҒАЙ -
БАРЬЕРЛІК SNO2N-SI КҮН ЭЛЕМЕНТІН ЗЕРТТЕУ
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
050611- Астрономия мамандығы
Алматы 2012
Қазақстан Республикасының Білім және Ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика – техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жіберілді
______ Кафедра меңгерушісі___________Приходько О.Ю.
НАНОКЕУЕКТІКРЕМНИЙДІҢ ТУНЕЛДІ ӨТКЕЛІНЕН ҚҰРАЛҒАН ШАЛҒАЙ -
БАРЬЕРЛІК SNO2N-SI КҮН ЭЛЕМЕНТІН ЗЕРТТЕУ
050611-Астрономия мамандығы бойынша
Орындаған
Сайланбек С.
Ғылыми жетекшісі
Диханбаев К.К.
ф.м.-ғ.к.
Норма бақылаушы
Тлеубаева И.С.
РЕФЕРАТ
Көлемі 65 беттен тұратын бітіру жұмысының құрамына 32 сурет, 2 кесте
қолданылған әдебиеттер тізімі кіреді.
Негізгі ұғымдар:
Күн элементі, кеуек кремний үлпісі, Шотки-барьері, вольт-амперлік
сипаттамасы, спектрлік сипаттамасы, пульверизация әдісі.
Жұмыстың мақсаты Беттік барьерлі n-Si күн элементінің тунелді
өткелінен тұратын қондырғының құрылымын қалыптастыру және оның
фотоэлектрлік қасиеттерін зерттеу болып табылды.
Мақсаттың шешімін табатын әдістер:
1) n-Si төсенішінің бетіне нанокеуек кремний үлпісін
электрохимиялық анодттау тәсілімен орнату.
2) SnO2 қабатын пульверизация әдісімен SnCl4 :этилацетат
ерітіндісі арқылы кеуек кремний бетіне қалыптастыру
3) Фронтальды және тыл жағындағы контактлерін құрастыру
4) Дайындалған SnO2n-Si күн элементін фотоэлектрлік
қасиеттерін зерттеу.
Бұл үдерісте SnO2 қабыршағы зерттеушілерді үш қасиетімен
қызықтырады. Біріншіден бұл қабаттың ерекшілігі ток өткізгіш қаблеттілігі
және толқын ұзындығының кең диапазонындағы жарық өткізгіштігі, сонымен
қатар SnO2 қабаты, n-Si жартылай өткізгішімен энергетикалық гетероқұрылымын
қалыптастырады.
Беттік барьерлік күн элементін жасау оңай және жеңіл, өйткені pn –
ауысуындағыдай жоғарғы температуралық өңдеулер жүргізілмейді және де
басқада химиялық желімдеулер ықшамдалған. Болашақта бұл технологиялық
қалыптастыру әдісі күн элементінің жасалу өндірісін арзандатады.
Бітіру жұмысы Нанокеуекті кремнийдің тунелді өткелінен құралған
шалғай - барьерлік SnO2n-Si күн элементін зерттеу.
Бұл материалдағы негізгі алынған тәжірибелік нәтижелер Халықаралық
студенттер мен жас ғалымдардың конфененциясында (23-25 апрель 2012 жыл)
талқыланды.
Глоссарий
ПӘК - пайдалы әсер коэффициенті
ξ -толықтыру коэффициенті
Uxx - бос жүріс кернеуі
Ikz - тұйықталған токтың мәні
- жабық зонасы
Pmax - жарықтың қуаты
SnO2 - қалайы тотығы
SiO2 - кремний тотығы
por-Si - кеуек кремний
n-Si - n типті кремний
SnO2n-Si - қалайы тотығымен n типті кремний өткелі
SnCl4 -төртхлорлы қалайы
ITO - индий қалайы тотығы
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
1.БАСТЫ БӨЛІМ
1.1 Кремний күн элементі туралы жалпы мәлімет
1.2 Күн элементінің жұмыс істеу принципі
1.3 SnO2 мөлдір қабатының оптикалық қасиеттері
1.4 SnO2-Si беттік барьерлік құрылымдары
1.5 Кеуек кремнийдің айрықша қасиеттері
2. ТӘЖІРИБЕ МЕТОДИКАСЫ
2.1 Кеуек кремний қабаттарын қалыптастыру әдісі
2.2 SnO2 кері шағылысу қабатын қалыптастыру әдісі
2.3 SnO2por-Sin-Si құрылымын орнату
2.4 Алынған күн элементінің спектралдық сипаттамасын түсіру
әдісі
2.5 Жасалынған күн элементінің вольтамперлік cипаттамасын
түсіру тәсілі
3. ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕСІН ТАЛҚЫЛАУ
3.1 Кеуек кремний үлпісінің оптикалық қасиеттері
3.2 Алынған күн элементінің спектралдық сипаттамасын зерттеу
3.3 Жасалынған күн элементінің вольтамперлік сипаттамасын зерттеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
КІРІСПЕ
Ғалымдардың болжамы бойынша, көмір, мұнай және табиғи газ, яғни
адамзаттар дағдыланған сол энергия көздері, экономикасы мол елдерге
қатынасты әлі де 50-60 жылға дейін жетеді. Бүгін көп елдердің үкіметтері
қосымша электр көздерін іздестіруде белсенді қаржы салынып жатыр, айталық
күн энергиясын дамытуда. Ғаламдық энергетика мәселелерін шешуде шет елдің
және Казақстанның қөптеген үлкен және кіші компанияларының қүш салуының
арқасында қол жеткізіп отыр. Бұған Қазақстанның жоғары оқу орындары да,
қалыспай ат салысып отыр.
Күн элементін құрастыруда әртүрлі технологиялық шешімдері бар,
айталық барлық күн элементтерін жасауда, кремний жартылай өткізгішінің p-
n ауысуымен тығыз байланысты екені белгілі . Диффузиялық p-n ауысуы 900-
1000°С жоғарғы температуралық режімінде жүргізіледі, бұл көп энергия қуатын
жұмсауға, технологиялық үдерістердің ұзартылуына алып келеді.
Сондықтан күн элементін зерттеушілер, құрастырушылар күн элементін
дайындауда ыңғайлы, қарапайым және жеңіл жолдарын қарастыруда. Айталық,
атом қоспаларын кремний бетіне иондық имплантация әдісімен енгізу, содан
кейін пайда болған құрылымның ақауларын емдеу үшін жоғары температурада
қыздыру жолы . Немесе, соңғы кезде Шоттки металл тосқауын қолдану арқылы
металл-кремний ауысуын қалыптастыру әдісі жиі қолданып келеді, өйткені
бұның жасалу жолы өте жеңіл.
Кейбір жұмыстарда , метал мен кремнийдің арасына, тунельлдік ауысу
қағидасына негізделген, жұқа кремний тотығы SiO2 отырғызылады, яғни бұл
қабат күн элементінің қуаттылығын және эффективтілігін көтереді. Бірақта,
өте жұқа кремний т13отығының қалыңдығы ~2-4 нм бірқалыпты қабатын орнату
қиын мәселе.
Берілген жұмыста беттік-барьерлік Шоттки қабаты ретінде SnO2
диэлектрлік қабыршағын қолдандық, бұл үдерісте SnO2 қабыршағы
зерттеушілерді қызықтыратын үш қасиетімен толықтырады. Біріншіден бұл
қабаттың ерекшілігі ток өткізгіш қаблеттілігі және толқын ұзындығының кең
диапазонындағы жарық өткізгіштігі, сонымен қатар SnO2 қабаты, n-Si жартылай
өткізгішімен энергетикалық гетероқұрылымын қалыптастырады.
Бұл жұмыстың тағы бір ерекшілігі жоғарыда айтылғандай, тунельдік SiO2
ауысу қабаты ретінде кремний нанокеуек үлпісін қолдандық, бұл қабатты
электрохимиялық анодтау жолымен қалыптастыру, қарапайым және жеңіл болып
келеді. Сондықтан беттік-барерлік SnO2n-Si күн элементін жеңіл әдіспен
жасау және оны зерттеу өте маңызды және актуальді болып табылады.
1. БАСТЫ БӨЛІМ
1.1 Кремний күн элементі туралы жалпы мәлімет
Қоршаған ортаны ластандыру мәселелері бойынша және қазып алынған
отынның таусылуына байланысты дәстүрлі емес энергия көздеріне, әсіресе күн
энергиясының электр қуатына тікелей түрлендірілуі (қүн элементтері,
фотовольтаика) зор қызығушылық тудырып отыр.
Әлемде атом энергиясын қолданудан бас тартып отыр, оның себебі адам
факторымен табиғи катаклизмдерінің өршуінен атом электростанциялардың
аварияға, ұшырауына байланысты болып отыр.
Егер 1973 жылы жалпы соммасы 0,07 Гвт күн батареясы және күн элементі
жасалып шығарса, 2007, 2008, 2009, 2010 жылдары жасалып шығарылған күн
элементтерінің тек қана бір жылдың ішінде мына мәліметті құрады: 2007 г.-
4,27 ГВт, в 2008 г.- 7,9 ГВт, 2009г.- 12,46 ГВт, 2010 г.- 27,2 ГВт болды.
Мұндай қарқынды өсуі, ешқандайда басқа әлемдік өндіріс салаларында
байқалған емес.
Сонғы жылдары әлемдік дамыған елдерде, энергетика баланысындағы күн
энергиясының үлесі үздіксіз өскенін қадағалап отырмыз. Онымен қатар, 2050
жылдан бастап күн энергетикасының үлесі көміртегі сутегінің үлесіне
қарағанда артығымен өсетіндігін болжап бағдарлап отыр.
Бұның бәрі қүн элементтерін және күн энергетикасын, экономикасы
дамыған елдердің мызғымас бір бөлігі болып саналады. Сондықтанда, Араб
Эмираты көмірсутегі шикі зат өндіруде бірден-бір көш басшы бола отырып,
2008 жылы өздерінің күн электрлік батерея технологиясын дамытудағы
бағдарламасына 10 млрд. доллар бөлді. Сондай ақ, осындай салыстырмалы
немесе одан көп қаржы Европа Одағы, АҚШ - пен Жапония елдері бөлді.
Соңғы 5-6 жылда Қытай фотовольтаика дамуында таң қаларлық жетістікке
жетті және күн элементтерді және батереялардың өндіру көлемінен бірінщі
орынға шықты, бұл орайда Жапонияны екінші орынға ығыстырды. Қытай фирмалары
әйгілі немістің ”Q-Cells” және жапонияның “Sharp”, “Kyocera”фирмаларын
артта қалдырып суырылып алға шықты.
Күн элементтерінің технологиялық жетілдіру жұмысы екі бағытта
жүргізіледі: технологиялық даярлауын арзандату және күн энергиясының
түрлендіру тиімділігін арттыру. Соңғы жылдары наноматериалдар негізінде
күн элементтерін құруда және оның қасиеттерін жақсартуда зерттеулер
жандандыруда, олар фулерендер, нанотрубкалар, графендер, металдар
нанобөлшектері және оның тотықтары және т.б .
Беттік барьерлік қалайы тотығын қолдану арқылы жасалған күн элементін
алу жолы бірден бір перспективалық әдіс болып қала береді. Бұл жол өте
жеңіл және қарапайым, яғни жоғарғы температуралы өңдеуді процессін жасауды
қажет етпейді. Екіншіден қалайы тотығын отырғызу жолы жеңіл жолмен алынады,
айталық пульверизация әдісімен өте төменгі температурада отырғызу арқылы
іске асады.
Онымен қатар қабатаралық тунельді кеуек кремний қабыршағын кристалды
кремний мен қалайы тотығының арасына орналасуы жоғары электр өрісін
қалыптастырады, бұл фототоктың және кернудің көтерілуіне мүмкіндік береді.
Олай болса айтылып өткен артықшылықтар, беттік барьерлік қалайы
тотығын қолдану және нанокеуек үлпісін отырғызу әдісінің келешегі
наноматериалдардың кең масштабты өндірісін ұйымдастыруға өріс алады.
Бұл жұмыс кремний және арсенид галлии күн элементтерінің шығу
параметрлерін жақсартуға бағытталған, олардың құрылысында оптикалық мөлдір
қалайы тотығын қолдану арқылы іске асырылуы және күн элементтерінің
құрылымында қолдану арқылы зерттелуі жаңа бағыттың бірі болып саналады.
Графендік қабыршақтарды және металл-тотықтық нанобөлшектерді күн
элементтерінің құрылымда қолдануы Шоккли-Квейсера эффектісінің шартын
шектелуін алып тастауға мүмкіндік береді, яғни фотондардың бір электрондық-
кемтік парынан көп генерация жасауға жағдай жасалады, бұл қысқа ток
тұйықталуының айтарлықтай өсуіне алып келеді, олай болса күн элементтерінің
пайдалы әсер коэффициентін (п.ә.к) арттырады.
Сонымен, жоспарланған зерттеулердің актуальділігі және жаңалығы
халықаралық тәжірибеде және біздің елде өте ерекше. Зерттеулердің
перспективалық бағыттары келесі мәселені түйіндейді, алынған нәтижелер жану
және қатты денелі оптоэлектроника ғылымында фундаментальдық және қолданбалы
міндеттерді шешуге қолдануы мүмкін. Жүргізілген зерттеулер, күн
элементтерін даярлауда жаңа бәсекелістік қабілеттігін жетілдіруге мүмкіндік
береді.
1.2 Күн элементінің жұмыс істеу принципі
Жартылай өткізгіштік, мысалы кремнийлік кең таралған құрылымымен
фотоқабылдағыш өзімен бірге р- және n-типті өткізгіштігі бар және бір-
бірімен өзара байланысқан екі жартылай өткізгіштік қабаты бар жүйені
құрайды.
Ферми теңдігі кемтік пен электрон арасындағы тепе-теңдікті
анықтайтын барлық материалда бірдей болуы керек. Бұл шарт p-n ауданында
екі зарядталған қабатпен қамтамасыз етіледі, көлемді зарядпен аталған
қабат және электростатикалық потенциалмен жүріп отырады (1.а-сурет).
p-n-өткізгіштігінің тосқауыл потециалының биіктігі, p-n өткізгіштік
материалының орналасу тереңдігіне тең[1].
Осы жерде айтып кететін жайт Ферми теңдігінің орналасуы, бір жағынан
р-n өткізгішінің қасиетінің өзгергіштігіне бағытталған, ал екінші жағынан,
оның температураға байланысты оптикалық және фотоэлектрлік қаситетінің өте
күшті тәуелділігін анықтайды.
1 сурет- Жарықтандырылмаған p-n өткізгіш ауданының жартылай
өткізгіштік энергетикалық зонасының структурасы (а) және
(б)электростатикалық потенциалының анықталуы
Жартылай өткізгіштік структурасының бетіне құлайтын p-n –өткізгіштігі
бар оптикалық шағылысу электрондық және кемтік жұбын құрады, сонымен қатар
бу концентрациясы p-n өткізгішінің бағытымен жоғарыдан тереңге қарай
біртіндеп түседі. Егер беткі қабаттың p-n-өткізгішіне дейінгі арақашықтығы
жарықтың 1α тереңдігіне енуінен аз болған жағдайда ғана, жұп p-
nөткізгішінен жасалады. Егер өткізгіш пайда болатын жерден диффузиялық
ұзындықтан аз алшақ болса, онда олар диффузия артынан p-n-өткізгішіне барып
және оның электр өрісі әсерінен бөлініп кетеді. Электрондар-электронды, ал
кемтіктер кемтік бөлігіне ауысады.
Пайда болатын фото - ЭДС (электр қозғаушы күші) бұл тосқауылды
азайтады, өз кезегінде қайшы келетін электрондар мен кемтіктер электрондар
ағынымен кездесуіне әкеледі. Бұл ағындар токқа тура бағытта тепе-тең болып
келеді.
Осылайша, жарықтандырудың басталуымен p-n-өткізгішінің электрон
бөлігіндегі электрондардың артығынан[1] және кемтік бөлігінде кемтіктердің
жиналуы сыртқы бетінде тоқтың көбеюіне және тосқауыл биіктігінің немесе
электростатикалық потенциалының азаюына алып келеді (1.б-сурет)
p-n-өткізгіші арқылы немесе сыртқы ауыртпалыққа кететін жарық арқылы
құралатын артық будың саны бу мөлшерімен салыстыратын болса, стационарлы
жағдай орнығады. Ереже бойынша,жарықтандыру басталғаннан кейін мыңдаған
секунд асқаннан кейін басталуы тиіс.
3. SNO2 - наноқабаттарының оптикалық қасиеттері
Тиым салынған зонада оттегі жетіспеушілігімен көрінетін және
локальдандырылған күйлер тудыратын () атомдарының беттік және
кристалларалық күйлері анықталатын наноқабаттарының оптикалық
спектрлерінің және вольт – амперлік сипаттамаларының ерекшеліктері табылды.
наноқабаттарындағы зерттелініп отырған өлшемдік эффект тиым салынған
зонасының өлшемінің көлемдік -мен салыстырғанда үлкеюімен
көрінеді.[2]
– - тиым салынған зоналы n-типті жартылай өткізгіш .
пленкалары оттектік бос орындармен қамтамасыз етілетін
электрөткізгіштігінің кең диапазонының арқасында қатты денелік газдық
сенсорларда оптикалық мөлдір электродтар ретінде қолданылады. Қышқылдардың
құрылысының дефектілік деңгейі және оның электрөткізгіштігі белгілі
мөлшерде пленкаларын алу технологияларымен анықталады. Бұл жұмыста
наноқабаттары қалыңдығы 30 нм болатын қалайы пленкаларын құрғатылған
ауа атмосферасында қышқылдандыру жолымен алынды.
Тазалығы 99,99 % болатын қалайы - аргонның плазма тудыратын
ортасында шашыратулардың магнетронды жүйелер көмегімен шеттерге келтірілді.
Қалайы пленкаларын қышқылдандыру екі кезеңмен жүргізілді. Бірінші кезеңде
пленка температураға дейін қыздырылды, -нің балқу нүктесінен
төмен екі сағаттық күйдіру. Екінші кезең – жай қыздыру (мин) қажетті
температураға дейін және тұрақтандырылған 2h аралығында күйдіру. Әртүрлі
үлгілер үшін тұрақтандырылған күйдірудің температурасы аралығында
өзгертілді.
200, 400 және температураларда қышқылдандырылған
наноқабаттардың фазалық құрамы жалпы дифракция режимінде жарықтандырылған
электрондық микроскопия әдісімен оқытылды. Наноқабаттардың күйдіру кезінде
алынған фазалық құрам байланысуына сәйкес келетіндігі бекітілді. Жұқа
пленкаларда стабильді тетрогональды фазалардан басқа температуралардың
барлық зерттелінген интервалдарында стабильді емес қалайы диоксидінің
орторомбтық фазасы байқалады.
Электрондық дифракция суреттерінің интенсивтілігінің анализі
көрсеткендей пленкаларда осы фазалардың құрылысы мен құрылымы салыстырмалы
және пленканың әртүрлі күйдіру темпреатураларында айтарлықтай өзгермейді.
250, 450, 550 және температураларда күйдірілген
пленкаларының оптикалық сипаттамалары толқын ұзындығы 200-1200 нм
диапозонында, 1 нм қадаммен, зерттелінді. Үлгілердің жұту спектрлері 1-
суретте көрсетілген.
Жоғары температуралы үлгілердің өзіндік жұту шектері (450, 550 және
) жақсы сәйкестіктерге ие (1.1-сурет). Осы үлгілер үшін тік өтулердің
нөлдік мәніне қатысты экстрополяция жолымен анықталынған табалдырықты
энергия облысында жатады. температурада тотықтандырылған үлгі
үшін бұл мөлшер біршама азырақ және ол құрайды. Тік өтулердің
энергияларының мұндай мәндері әдебиеттерде келтірілген көлемді үлгілер
болатын үлгілер үшін алынатын -орташа мәнімен салыстырғанда
біршама аса көтғрілген болып табылады. Зерттеу жұмысымызда алынған
үлгілердегі наноқабаттарының -мөлшерінің үлкеюін қабат квантының
кішкене қалыңдықты өткізгіштігімен, яғни өлшемдік эффектімен түсіндіруге
болады.
Алайда, біздің спектрлерде үлкен қызығушылықты 250 және
температураларда күйдірілген үлгілерде облысындағы спектрлік максимум
тудырады. температурада күйдірілген пленка спектрінде осы максимум
айтарлықтай азаяды, және жоғары температуралы пленканың () қисығында
осы ерекшелік үлгінің жоғарға бөлігінде немесе төменгі бөлігінде құбылады,
нөлге жақын экстраполяция шамамен сол энергияға жақын энергия
береді[2].
Жұмыста жүргізілген дефектілердің тепе-теңдігінің термодинамикалық
анализі гомогенді облысының шектеріндегі дефектілердің маңызды
типтері оттегі бос орындарының екі рет иондалғандығы болып табылады.
Термогравиметриялық зерттеулердің мәліметтері бойынша қалайы
оксидінің () құрамы формуласынан анық көрінеді, мұндағы,
стехиометриядан ауытқу . Оттегі бос орындарының концентрациясы
құрамында оттегісі бар ортада үлгілерді күйдіру кезінде азая бастайды.
поликристаллдық үлгілерінің тыйым салынған аймағында
электрондық күйлерінің энергетикалық спектрі тұрақты орнатылмаған. Сонымен
қатар монокристаллдарында оттегі бос орындарының [] және []
энергетикалық деңгейлері жеткілікті түрде өте жақсы анықталынған жұмыс
бойынша, олар сәйкесінше және тереңдікте, өткізгіштік зонасының
төмен аймағында жатады, яғни, біз бақылап отырған пикке қарағанда жұтылудың
негізгі шетіне айтарлықтай жақын. Сайып келгенде, біз алған нәтижелерді бұл
мәліметтермен түсіндіру мүмкін емес[3].
Сонымен қатар жұмыстардың авторлары екі әр түрлі псевдопотенциалды
комбинацияларда тығыздық функционалы әдісімен зондық құрылысқа беттік
күйлердің жиынтығы және жұтылудың оптикалық спектрлерін анықтады. Олар
қалыңдығы екі элементарлы ұяшық болатын ленталық нанокристалының
бетінде мостиктік оттегі атомының болмауы жұтылудың негізгі шетінің алдыңғы
бөлігінде орналасқан оптикалық спектрлерде қосымша максимумның
интенсивтілігінің пайда болуына әкеледі.
1.1 сурет- Әртүрлі температураларда тотықтандырылған
пленкаларының жұтылу спектрлері
Табиғаты бойынша, яғни өзіндік табиғи қасиеті бойынша жақын
максимумның пайда болуы, біздің жұмыстарымызда алынған
наноқабаттарының жұтылу шектерінде тіркелген. Ол оттегінің
жетіспеушілігінің шарттарынан болатын беттік және кристалларалық күйлер
жиынтығын шағылдырады. Оттегі ауасында наноқабаттардың күйдіру
температурасының артуы осы дефектілерді дұрыстайды, максимум интенсивтілігі
азаяды, және температурада жұтылу шегінің “төменгі бөлігінде” пайда
болады (1.1-сурет).
Сонамен бірге, ленталық монокристаллдағы негізгі тыйым салынған аймақ
(Брюллен зонасының ортасындағы тік өту) көлемдік -ге
() қарағанда аралықтан үлкендеу аралықта болады. Осыдан,
тәжірибеде зерттелініп отырған наноқабаттың мәні көлемдік кристаллдардағы
және жуан қабаттардағы -тің -ке қарсы экстраполяция кезінде
берілетін негізгі жұтылуын өлшеуде үшөлшемді кристаллдан 3D екіөлшемді
кристаллға 2D өту кезінде үлкеюінің өлшемдік эффектісі шығады.
Алынған наноқабаттарында оптикалық спектрлерден басқа тесттілеу
сигналының 1Mhz жиілігінде зерттелінген гетероөтуінің (C-V) вольт-
фарадтық сипаттамалары зерттелінді. Капталдағы және төменгі өлшенетін
электрод ретінде n-типті монокристаллдық кремний қолданылды. Кремнийдегі
табиғи туннельді-мөлдір (3нм) оксидті қабат шалаөткізгішдиэлектрик
гетерошекараларының параметрлерін жүйеге келтіреді жәнне қалайы оксидінің
электрондық құрылысының ерекшелігін көрсететін фонда беттік күйдің төменгі
тығыздығын қамтамасыз етеді.
Төменгі температуралы ( және )үлгілердің вольт-фарадтық
сипаттамалары тез электрондық күйлердің қайта зарядтау деңгейлерімен
байланысты нөлдік потенциал аумағында бірқатар ерекшеліктерге ие (1.2-
сурет). Үлгілердің тотықталу температурасының өсуімен байланысты вольт-
фарадтық сипаттамасының жай түзелуі электрондық күй тығыздығының
төмендеуімен түсіндіріледі.
1.2 сурет- тотықталуының әртүрлі температуралары үшін
гетероөтуінің вольт-фарадтық сипаттамалары
Жоғары температуралы () күйдіру дефектісіз қабатының пайда
болуына әкеледі, сондықтан оптикалық спектрлердегі секілді C-V – қисығында
монотондық болмайды.
Сонымен, осы жұмыста алынған анализ нәтижелеріне байланысты мынадай
қорытынды шығаруға болады: оптикалық спектрлердің және вольт-фарадтық
сипаттамаларының ерекшеліктері тыйым салынған зонасының
локаольдандырылған күйлерінің пайда болуына әкелетін наноқабаттарының
оттегі жетіспеушілігімен болатын () атомдарының беттік және
кристалларалық күйлерімен анықталады.
1.3.1 Қалайы окисдының жұқа қабыршақтарындағы еркін заряд
тасымалдаушылардың оптикалық қасиеттері
1.3 суретте әртүрлі температураларда күйдірілген, үлгілердің жарықтың
комбинациялық шашырауының спектрлері келтірілген. Бастапқы үлгінің (1
қисық) спектрінде, метал қалайы қабыршағының ауада қышқылдануы нәтижесінде
пайда болған, қалайы оксидының Sn-O фазасының тербелуіне сәйкес келетін,
211 см-1 болғандағы А шыңы бар[4].
1.3 сурет-SnOx қабыршақтарының жарықтың комбинациялық шашырауының
спектрлері: метал қалайының бастапқы қабыршағы(1), Tα= 350 (2) 550(3) және
750 ˚С(4) температурада күйдіргеннен кейінгі . Вертикаль үзік сызықтар SnO
жәнеSnO2 валенттік тербелістеріндегі шашырау шыңдары. Спектрлер вертикаль
осі бойынша тіркелген
Төменгітемпературалық қыздырып өңдеуде (Tα =350 °C, 2 қисық) А
шыңының интенсивтілігінің артуынан көрінетін, осы фаза көлемінің ұлғаюы
ғана болады. Толқындық сандары 141,148,188,237,245 см-1 болған кездегі,
3спектрдегі қосымша максимумдардың болуын, жоғары температурада қыздырып
өңдеу, зерттеліп отырған үлгінің қышқылдануына және Sn2 O3 мен Sn3 O4
секілді, стехиометриялық емес қалайы оксидының осындай фазаларының
түзілуіне алып келетіндігімен түсіндіруге болады. Сонымен қатар, 550°C та
күйдірілген үлгінің спектрінде, SnO2 фазасының A1g тербелісіне сәйкес
келетін, 633 см-1 кезінде В шыңы пайда болады. Өңдеу температурасын 750 °C-
ге дейін арттырғанда (4 қисық) метал қабыршақтардың толық қышқылдануы және
тек қана бір В шыңының сақталуында көрінетін, қалайы диоксидінің бірфазалық
үлгісінің түзілуіне алып келеді. Қыздырып өңдеу температурасын арттырған
кездегі үлгілердегі SnO2 фазасының бірең-сараң ұлғаюы, сондай ақ, Sn-O 500-
700 см-1 валенттік тербелу аймағындағы өткізудің инфрақызыл спектрінде де
байқалады.
Жартылайқткізгішті материалдарда жарық толқынының электр өрісі,
шаңылу мен жұтылудың тән спектрлеріне алып келетін, еркін заряд
тасымалдаушылармен (электрондармен, кемтіктермен) өзараәрекеттесе алатыны
белгілі. 1.4 суретте 5 минут ішінде 1,4Вт қуатпен және толқын ұзындығы
380нм ультракүлгін диапазонының сәулеленуімен әсер еткеннен кейінгі,
зерттеліп отырылған үлгілердің өткізуінің айырмалық инфрақызыл спектрлері,
сондай ақ, қараңғыда, жоғары температура кезіндегі үлгінің спектрі
көрсетілген.
1.4 сурет - қосымша әсер еткен кездегі әртүрлі стехиометрияның SnOx
қабыршақтарының өткізуінің айырымдық инфрақызыл спектрлері : 22˚С кезінде ,
x≈1(1) 1.3x2 (2); x≈2, жарықтандырғаннан кейін қараңғыда 250˚C(3) кезінде
және 22˚C жарықтандырғаннан кейін(4)
Жарықтандырғаннан кейін, өткізу коэффициентінің монотонды кемуі
байқалатыны көрініп тұр (2 және 4 қисық). Оптикалық қасиеттердің осындай
өзгерістері, қараңғыда қыздырған кездегі үлгілер үшін де бақыланады (3
қисық) Осы нәтижені, еркін заряд тасымалдаушылар (электрон)
концентрациясының ұлғаюымен түсіндіруге болады. Алынған мәліметтер,
инфрақызыл спектрлердің ультракүлгін сәулеленінен кейінгі модификациясы
(түрленуі), 250 °C дейін қыздырған кезде пайда болатынға жақын
концентрациялы еркін заряд тасымалдаушылардың пайда болуымен байланысты деп
қорытынды жасауға мүмкіндік береді[5].
Білетініміздей, үлгіге, тыйым салынған зона енінен кем фотон
энергиясымен әсер еткенде, еркін электрондардың басым монополярлы
генерациясы жүреді. SnO2 фазасы бар үлгілерде бақыланатын эффектілерді,
бәлкім, SnO2 фазасында ақаулы күйге сәйкес келетін деңгейі бар
электрондардың фотоқызуының болуымен түсіндіруге болады. SnO үлгісінде
еркін заряд тасымалдаушылар концентрациясының ұлғаюының осы салдары
бақыланбайды.
Инфрақызыл спектроскопиясының алынған мәліметтерінің сандық
сипаттамалары үшін, диэлектрлік өтімділіктің ɛ жиіліктен ω тәуелділігі
келесі өрнекпен көрінетін, турде классикалық үлгісін қолдануға болады:
(1)
Мұндағы, - жоғары жиілікті (оптикалық) өтімділік, (SnO2 үшін
), g- өшу тұрақтысы,
(2)
өрнегімен берілетін плазмалық жиілік, m*-эффективті масса,(қалайы
диоксидіндегі еркін электрондар үшін m*=0,3m0 , еркін электрон массасы
m0=9,1×10-31 кг, электр тұрақтысы =8,85×10-12 Фм ), N- еркін заряд
тасымалдаушылардың концентрациясы.
Жұтылу коэффициенті, әлбетте, келесі өрнекпен бойынша есептелуі
мүмкін,
α=2ωχc ,
(3)
мұндағы, χ - комплексті сыну көрсеткішінің жалған бөлігі, c=3×1010
смс- жарық жылдамдығы.
Біздің жұмыста, өткізу спектрлері, спектроскопиялық бірліктерді
(толқындық сандарды) қолдану арқылы ν=ω2πc есептелді. Осыдан (1) өрнектегі
өшу тұрақтысы g*=g2πc түрге өзгереді.
1.5 суретте, өткізудің эксперименталды мәліметтерінен келесі өрнек
бойынша алынған жұтылу коэффициентінің спектрі келтірілген
α(ν)=-ln[T(ν)]d,
(4)
Мұндағы,T- өткізу коэффициенті, d-қабыршақ қалыңдығы. Сондай ақ, 1.5
суретте, g*=550 см-1 және N=1,1× 1019 мәндерімен (1)-(4) өрнектер
бойынша есептелген теориялық қисық келтірілген. Тәжірибемен салыстыру,
заряд тасымалдаушылардың жоғары концентрациясына қыздыру кезінде де,
фотоқозу кезінде де жету мүмкіндігі туралы дәлелді растайды.
1.5 cурет-қараңғыда 250˚C(1) кезінде және 22˚C (3) кезінде
жарықтандырғаннан кейінгі SnOx (x≈2)қабыршақтарының эксперименталды жұтылу
спектрлері . 2- өшу параметрінің g*=550см-1 мәніндегі және еркін заряд
тасымалдаушылардың концентрациясы N=1.1∙1019 см-3 болғандағы есептік
спектрі.
1.3.2 SnO2 жұқа қабыршақтарының микроқұрылымы және физикалық
қасиеттері
Оптикалық жұтылу спектрлерін өлшеу(1.6 сурет), SnO2 қабыршағының
жұтылу коэффициенті (103-104) см-1 ді, ал шыны төсеніште, толқын
ұзындығының осы диапазондағы жұтылуы α=(2-20) см-1 құрайтындығын
көрсетеді. Меншікті жұтылу шегі (2,8-3,3) эВ аймағында жатыр.
Қабыршақтардың тыйым салынған зонасының ұзындығын дәлірек бағалау үшін және
оптикалық ауысулар сипаты туралы мүмкіндігінше талдау үшін, оптикалық
өлшеулер нәтижелері α2=f(hν)(тура ауысулар) және α12 =f(hν)(тура емес
ауысулар) координаттарына тұрғызылады . Қабыршақтардың жұтылу спектрелрі
α12 =f(hν) координаттарында жақсы түзіледі, ал тыйым салынған зона ені ΔE≈
3эВ мәніне жақын, яғни SnO2 (ΔE=3,54 эВ) монокристалдарының тыйым салынған
зонасы енінен әлде қайда кем, және қалайы қос тотығының синтезделген
үлгілерінің сиехиометриялық емес құрамының салдары сияқты, қабыршақтардың
жоғары ақаулығынан да зона күйінің соңының болуының да салдары болуы
мүмкін.[6]
1.6 cурет- Шыны төсеніштің әдеттегі жұтылу спектрлері (1) және
SnO2(2) қабыршақтары
Термоөңделген қабыршақтардағы рентген дифракциясының нәтижелері
1.7 суретте көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай, ритул типті торы бар
қалайы диоксидінң (a=0,4760нм, с=0,3178 нм) тетрогональды фазасының шыңдары
ғана бақыланады.
SnO2 торында сүрмені ендіруді немесе ауыстырудың қатты ерітіндісінің
пайда болуын білдіруі мүмкін, сүрмемен байланысты жеке фазаның болуы
табылмады. Шерер өрнегі бойынша бағаланған, дәндердің орташа өлшемі 11,0
ден 19,4 ге дейін құрады[7].
SnO2 қабыршақтарының микроқұрылымы жарық түсіретін электрондық
микроскопия әдісімен зерттелді (1.8 сурет). Бұл нәтижелер ренигендік талдау
нәтижелерімен сай келеді. Дәндердің өлшемінде және пішінінде үлкен біртекті
еместігі, сондай ақ, олардың агломераттарының пайда болуы байқалады. 1.8,a
суретте қабыршақтың қараңғыдағы суреті келтірілген.Брэг бағдарына жақын
кристалдар, ашық түстермен сипатталады. Жолақаралық ара қашықтытың, бірінші
жеті дифракциялық дөңгелектер диаметрлерін өлшеу арқылы анықталады (1.8,в
сурет) және рентген дифракциясы нәтижелері бойынша рутил құрылымына сәйкес
келеді. Қараңғыда алынған суретте, эллипсоиданың үлкен және кіші осьтері
бойынша 100 ден астам кристалиттердің өлшемдері анықталды және
орташаланды. Дәндердің орташа өлшемі 11,0-19,4 нм аралығында жатады.
Өкінішке орай, өте майда дәндерді(3 нм кем) есептеу қиын болды.
1.7cурет- Қыздырып өңдеуден кейінгі SnO2 қабыршағының рентген
дифрактограммасы
Сандық микроталдау нәтижелері, қабыршақтағы сүрменңғ орташа мөлшері
3% ды құрайтынын көрсетті. Осындай сүрме концентрациясы бар SnO2 қабыршағы
жақсы электрөткізгіштігімен, тұрақтылығымен және жоғары газдық
сезімталдығымен сипатталады. Қабыршақ ортасындағы сүрменің мөлшері, шеткі
аймақтарға қарағанда 1,5 есе жоғары болуы, қабыршақты айналдыру кезіндегі
үлгі ұстағышының айналуының болмауынан болуы мүмкін.
Дебай ұзындығын L=( ε0εkTe2h)12 бағалау үшін, SnO2 үшін ε =13,5
мәнімен және біздің өлшеулерде алынған заряд тасымалдаушылар
концентрациясының температуралық тәуелділігін қолданамыз. Осыдан, тіпті
дәннің минималды өлшемі D=11нм жіңішке тамақ шартын қанағаттандырады:
D(2L)1 бөлме температурасынан (L=3,35) 100°C дейін (L~7нм). Өте
жоғары температура кезінде, оның ішінде қабыршақтардың максималды
сезімталдығы температураларында (330 және 360°C), өте аз бөлшектер шарты
D2L1 сақталады.[8]
1.8 cурет- SnO2 қабыршағының темнопольный бейнесінің микросуреті
Осылайша, зерттеген SnO2 қабыршақтарындағы ток ағынын сипаттау үшін,
қалайы диоксидінің поликристалды қабаттарының жеткілікті жоғары газдық
сезімталдығын қамтамасыз ететін, өте аз бөлшектер және жіңішке тамақ
мөдельдері негізі болып табылады.[9]
1.3.3 Газтасымалдау синтезі әдісімен алынған, қалайы оксиді
нанокристалдарының морфологиясы
Негізінде, газ тасымалдау синтезін түтік тәрізді пештерде, аргонның
оттегімен қоспасының (~1-5%) ағынында және газдық ортаның төменгі қысымында
(~200-400 mm Hg) жүргізеді. SnOx буының көзі ретінде ішінде SnO бар алунд
(Al2O3) тигель қолданылады. Түтік тәрізді пешті қыздыру сыртқы
қыздырғышпен жүзеге асырылады.
Үлгілердің микроқұрылымын зерттеу және химиялық құрамын бақылау,
микроталдама жасау үшін рентген спектрометрімен жабдықталған JSM-6380LV
автоэммисиондық көзі бар сканерлеуші электрондық микроскопта жүргізілді.
(Oxford Instruments, Inca). Дифрактограммалар DRON4 дифрактометрінде
тіркелді (CuKα сәулеленуі, бұрыштар диапазоны 2θ 20-70°, 0,5° қадаммен).
Рентгенфазалық талдама PDF 2 электрондық кітапханасы көмегімен жүргізілді.
1.9 cурет- газтасымалдау синтезі әдісімен әртүрлі технологиялық
шарттарда алынған SnO2 кристаллдарының морфологиясы
Алынған эксперименттік нәтижелерді талдай отырып, бу-сұйық-кристал
механизмі бойынша жіптәрізді кристалдардың өсуіне алып келетін,
конденсацияның температуралық шартытары 1000° С дан аумақта жатады. Осындай
өсулерге алып келетін, бу көздері SnO болу керек, себеьі диспропорциялау
нәтижесінде, наножіптің негізгі құрылыс материалы және жіптің өсетін
соңындағы еріген метал тамшысының қоректенуін қамтамасыз ететін, металл
қалайы болып табылатын SnO2 түзіледі.
1.10 суретте көрсетілген кристалдар бу көздерінің температурасы 1200
°С болған кезде алынады. Бұрын алынған үлгілерге қарағанда, өсірілген жіп
соңдарында метал шарлар (Sn) анық көрінеді, бұл кристалдар өсуінің басқа
механизмін, атап айтқанда, бу-сұйық-кристал механизмін көрсетеді.
Жіптер соңындағы шарлардың құрамы рентген-фазалық зерттеулер
көмегімен анықталды.
Газ тасымалдағыштардағы оттегі концентрациясының өзгеруі де SnO2
өсуші жіптердің диаметріне әсер етеді. Оттегі концентрациясының ~0,1%
(Т~1200 °С) деңгейіне дейін азаюы кезінде диаметрі бірнеше μm болатын SnO2
жіптері және диаметрі 10 μm дейін Sn шарлары алынды. Бұл деректі,
газтасымалдағыштағы оттегі- стационар процессті ұстап тұруға, яғни Sn ді бу
фазасынан жеткізу немесежәне SnO буларынан оның түзілуіне (диспропорциялау
раекциясы) және оның қышқылдануына жеткіліксіз болуымен түсіндіруге болады.
Нәтижесінде, шардың өлшемі, синтез басынан бастап үнемі артып отырады. SnO2
жібінің диаметрі, әдебиетке шолу бөлімінде көрсетілгендей, металл шардың
өлшемінен және ерітілген қалайы мен SnO2 жібінің соңы шекарасында
орналасқан өсу зонасынан тәуелді. p-n ауысудың кремний диодтарын күн
батареялары үшін қолдану өндірістің күрделі процестері кемшілігіне ие. Бір
жағынан, nn- гетероауысулардың SnO2Si қысқа тұйықталудың, жылдам
қадағалаудың үлкен тогі, сондай-ақ, кең спектралды үн беру секілді жағымды
сипаттамаларға ие. Осы жұмыста, SnO2-Si nn-гетероауысуларымен жасаудың
қарапайым әдісі ұсынылады. Меншікті кедергісі 0,7 ден 1 Ом×см ге дейін
болатын, n-Si пластина түріндегі төсеніш 5:3:1 пропорциялы HF:HNO3:СН3СООН
ерітіндісінде химиялық өңдеуге түседі. Содан кейін, деиондалған H2O
жуылады, және тез кептіреді. Пластинаның бір бетіне AuSb сызығы жағылған.
SnO2 жартылайөткізгішті қабыршағы, ауада 300 °С температура кезінде,
қойыртылған HCl және H2O қоспасында SnCl4-xH2O ерітіндісін бүрку жолмен
пластинаның екінші жағына отырғызылады.
1.10 cурет- газтасымалдау синтезі әдісімен әртүрлі технологиялық
шарттарда алынған SnO2 кристаллдарының морфологиясы
1.3.4 Газды микро- және наносенсорлар үшін por-SiSnOx нанокомпозит
қабаттарын алу
por-SiSnOx композиттері, қалыңдығы 300 мкм, КДБ-0,005(111) p-типті
монокристалды кремнийдің өңделген пластиналарын анодты өңдеумен алынған,
кеуек кремний қабаттарында жасалды. Анодты өңдеу үшін HF(42%):C3H7OH=1:1
құрамды электролит қолданылды, ток тығыздығы 75 мАсм2 , қалыңдығы ~1,5
мкм қабаттарды алу кезіндегі өңдеу уақыты 40 с құрады. Алынған қабаттардың
кеуектілігі 40%, жарықтың комбинациялық шашырау мәліметтері бойынша 8-10
нм болды. Жарық түсіретін электронды микроскопия мәліметтері бойынша,
кеуек кремний қабатындағы тесіктердің өлшемі 100-200˚A құрайды.
por-SiSnOx композитын алу үшін, магнетронды тозаңдау әдісімен,
аргон плазмасында 0,1Па қысымда, вакуумде, Sn тозаңдау жүргізілді, разряд
тогы 100 мА, кернеу 500 В, тозаңдау процесінің ұзақтығы 15 мин құрады. por-
SiSnOx құрылымын тозаңдағаннан кейін, оттегі бар атмосферада термоөңдеу
жүргізілді[10].
Бугаз фазадан отырғызу кезінде алынған por-SiSnOx композиты,
SnCl2.2H2O (670 К температурада) термиялық ыдырауы кезінде және осы
байланыстың гидролизінде түзілетін SnO бірең-сараң қышқылдануында (470К
температурада) пайда болады:
SnCl2∙2H2O→T→ SnCl2+2H2O↑,
SnCl2+2H2O→Sn(OH) 2+2HCl↑,
Sn(OH2) →T→SnO+H2O↑,
SnO+xO2→T→SnOx
Магнетронды тозаңдау әдісімен por-SiSnOx композитын алу
мақсатында,
por-Si қабаты сусыз сұйық SnCl4 ортада, бөлме температурасында, 20мин
әшәнде ұсталды,содан кейін, гидролиз кезінде HCl жою үшін 373
температурада, 1,5 сағат аралығында су буында ұсталды.
Тесіктер қабаттарының беткі гидроксиалды топтарының, ұшатын және
гидролизденетін[11] SnCl4 мен өзараәрекеттесуі бетте жаңа қабаттың пайда
болуын туғызады.
2(Si-OH)+SnCl4→ (SiO)2 ∙ SnCl2+2HCl,
(SiO)2 ∙ SnCl2+2HCl→ (SiO)2 ∙Sn(OH) 2 +2HCl,
(SiO)2 ∙Sn(OH) 2→(SiO)2∙ SnO+H2O (T393K).
Үлгілерді соңғы кептіру, вакуумде, (0,05 Па), 420 К температурада 1
сағат аралығында жүргізілді. Жылыту, SnOx бар ұластырылған қабаттың
түзілуімен қабаттың құрғалуына алып келді.
1.3.5 Молекулалық қатпарлау әдісімен алынған, por-SiSnOx
композиты
Жарық түсіретін электронды микроскопиядағы суреттер бойынша (1,c
сурет) молекулалық қатпарлау әдісін қолдану арқылы алынған үлгілер үшін,
шекаралары айқын көрінетін, дөңгелек пішінде, үлкен өлшемді (d=200-8000ºA)
өсінділер пайда болатыны көрінеді. Өсінділер үлгінің бүкіл бетінде
орналасады және оның ауданының 30дан 50% ын жабады. Сондай-ақ, өлшемі
жүздеген және мыңдаған нанометр болатын аз мөлшердегі өсінділер де бар[12].
Электродисперсиялық талдама спектрлері, өсінділер аймағында қалайы
және оттегінің маңызды концентрациясы бақыланатынын оттегі, сондай-ақ
қалайының елеусіз мөлшері тіркелді. Осылайша, молекулалық қатпарлау кезінде
кеуек кремний бетінде қалайы оксидінің ірі кластерлерінің пайда болуы
жүретіндігі туралы айтуға болады.
1.11 cурет-Молеклалық қатпарлау әдісімен алынған por-SiSnOx
нанокомпозиты қабаттарының жарық түсіретін электронды микроскоп-бейнесі
Микродифракция мәліметтері(1.11 суретте) қалайы оксидының
поликристалды болуын растайды. Өсінділердің құрамын, пішінін және өлшемін
нанокомпозит алудың осы әдісінің ерекшеліктерімен түсіндіруге болады. Сусыз
SnCl4 ерітіндісінде кеуек кремнийді ұстағаннан кейін, келешекте бетте
қалайы оксидінің жетклікті ірі өсінділерінің түзілуіне алып келетін, бетте
микротамшылар түзіледі.
SnOx үшін х стечиометрия коэффициентін есептеу, әртүрлі
тереңдіктер үшін ол x=1,3тен бетте x=1,0 дейін,профиль соңына дейін
өзгеретіндігін көрсетті, осыдан, үлгідегі қалайы Sn еркін атомдардың аз
саны бар SnO басым болатын, стехиометриялық емес қышқылдар қоспасы түрінде
болады. Х шамасының ара қашықтықтан бетке дейін өзгеруі, тереңдіктерде
оттегі концентрациясының кейбір түсулері, SnOx құрамы және мөлшері
капиллярлық процестермен анықталатын, молекулалық қатпарлау әдісінің
ерекшеліктерімен шартталғандығын көрсетеді. Жалпы, молекулалық қатпарлау
әдісі үшін алынған мәліметтер por-SiSnOx нанокомпозитінің біртекті емес
қабаттарының қалыптасуын растайды.
Электрофизикалық зерттеулер үшін, қалыңдығы 1,5 мкм por-SiSnO2
нанокомпозитының қабаты құрылды. Вольамперлік сипаттамаларды өлшеу үшін
тестовая құрылым, нанокомпозит бетіне алюминий қатынасын 3,5 мм диаметрмен
тозаңдау жолымен жасалды. Қатты қосындыланған кремний төсенішіне, екінші
қатынас, In:Ga пастасы көмегімен жүзеге асырылды. Алынған құрылым, T=300-
570 K температурада өлшеулер жүргізу үшін қыздырғыш элементпен
жабыдқталған, герметикалық өлшеуіш камераға орналастырылды[13].
por-SiSnO2 тесттік құрылымның 300-470 К диапазонындағы өлшеулер
кезіндегі вольт-амперлік сипаттамаласы 2 суретте көрсетілген.
1.12 cурет-por-SiSnOx нанокомпозит қабаттарының негізіндегі
құрылымның вольт амперлік сипаттамалары. Нанокомпозиттың алдын ала қыздырып
өңдеуінің температурасы 680К, ВАС өлшеу температурасы 300-470К . Қойылымда-
тесттік құрылымның сызбалық суреті.
1.12 суреттен- көрініп тұрғандай, өлшеулердің барлық температуралар
үшін вольт-амперлік сипаттамалар айқын сызықтық емес сипатқа ие.
Температураның артуымен құрылымның кедергісі кемиді.
1.4 Фотоэлектрлік әдіс
Құрылымы жартылай өткізгіш – диэлектрик - жартылай өткізгіш (ЖДЖ)
болып келетін күн элементтері (КЭ) SnOx жұқа қабықшасын n типті кремнийге
химиялық пульверизация әдісі арқылы отырғызу жолымен жасалынды. Бұл
элементтердің электрофизикалық қасиеттерінің температуралық тәуелділігі екі
өткізгіштік механизмі бар екенін көрсетеді. тура жылжытудың аз кернеу
кезіндегі туннельдік әсері және екінші механизмі Еа=0,87 эВ активация
энергиясымен Дайындалған элементтер келесідей сипаттамаларға ие болды:
тұйықталыу тогы (КЗ) 36 мАсм2, Бос жүріс кернеуі (х.х). 525мВ,
вольамперлік сипаттамасының (ВАС) толтыру коэффииенті 0,74, интенсивтілігі
100 мВтсм2 болатын күннің сәулесімен жарықтандырғанда ПӘК 14%.
Құрылымы ЖДЖ болатын күн элементі жаңа элементтер типін ұсынады,
нәтижесінде жартылай өткізгішті элементтер базасы өзінің алдыңғы
электрофизикалық қасиетін сақтап қалатын жоғарғы температуралы процестер
өндірісте қолданбайды. Әдетте кең зоналы жоғарғы өткізгішті тотықты
көрсететін жартылай өткізгіштің фронталдық қабаты, термиялық, электронды
төменгі температурада базалық жартылай өткізгішке сәулелік булану, катодты
тозаңдандыру сияқты әдістер арқылы отырғызылады. Осы материалда ең көп
қолданылатын: In2O3, SnO2 және екеуінің қоспасы (ITO). Кейбір жағдайда
потенциялдық тосқауылдарды вакуумдық процестерді және термиялық күйдіруді
қолданбай қалыптастыруға болады. Бұл мүмкіндік SnOх қабықшасы химиялық
пульверизация әдісі арқылы алынған кезде және құрылымы SnO2-SiO2-n-Si
болатын КЭ жасау барысында іске асқан [14]. Бұл қабықшалар ЖДЖ құрылымын
жасауға сәйкес электрлік, оптикалық, химиялық, механикалық қасиеттерге ие
болды. Бұл қабықшалардың шығысындағы жұмысы n типті қабықшаның шығысындағы
жұмысына қарағанда жоғары, ол осы материалдардан жасалынған КЭ барьерінің
жоғары болуынан байқалды. SnOx жұқа қабықшалары 0,4-1,1 мкм спектрлік
диапазонында оптикалық мөлдір, сонымен қатар энергияның фотоэлектрлік
түрлендіру аймағында пайдалы. Бұл қабықшалардың сыну көрсеткіші ~1,9
кремний бетінің жарықтандыру шарттарын орындауға мүмкіндік береді . SnOx
қабықшалары химиялық тұрғыдан бірқалыпты және көптеген қышқылдардың әсеріне
қарсы тра алады яғни КҮ қоршаған ортаның әсерлерінен сақтауға пайдалы болып
келеді. Химиялық пульвернизация әдісімен алынған SnOx қабықшаларында сутек
және хлор иондары болуы КҮ артықшылығы болып табылады. Белгілі болғандай
сутек пен хлор иондары SiO2-Si құрылымындағы SiO2- де бар оң зарядты
компенсациялайды. Бұл эффект құрылымы ЖДЖ немесе металл диэлектрик жартылай
өткізгіш болатын КЭ n типті кремнийді қолданғанда үлкен мәнге ие, өйткені
кремнийдің тотығында болатын оң иондар, ол n типті кремнийдің бетінде
жартылай өткізгіштің тотығында немесе металл қабатына жағылғанда алынатын
тосқауылдың биіктігін төмендетеді.
Соңғы уақытта ЖДЖ құрылымын сипаттайтын көптеген үлгілері ұсынылған.
Бұл құрылымдардың айырмашылығы оларда әлі де оның ролі түсініксіз болса да,
изоляциялдыайтын қабаттың болуы болып табылады.
(1)
(1) теңдеуі ЖДЖ құрылымды құрылғының ВАС-сын қөрсетеді және оның
талдауына негіз болады.Бұл теңдеу n- типті жартылай өткізгішті база үшін
шынайы. Онда пайдаланылып отқан қарапайым мағынаға ие параметрлері SnOx
-SiO2-Si құрылымының қараңғыда (түзу сызықпен) және жарықта (үзік
сызықпен) энергетикалық зоналық диаграммасы бейнеленген 1суретте
көрсетілген.
Бұл теңдеуді алу барысында мынадай болжам қолданылды, элементке
берілген кернеудің Va түсуі жартылай өткізгішті базаның кеңістіктік заряд
Vs аймағында және диэлектриктік аймағында Vs да болуы мүмкін:
Va=Vs+Vi (2)
Тосқауылдың биіктігі ϕВ үш материалға және екі бөлетін жазықтыққа
тәуелді. (1) теңдеуіндегі бірінші мүшесі туннельдік эфеккті және тосқауыл
биіктігінің өсуін ескере отырып жартылай өткізгіштің окисладан өткігіштік
зонасына өтетін, яғни диэлектриктік қабатта Vi кернеуінің түсуімен
шақырылған электронды токты сипаттайды. Ал екінші мүшесі Va енгізілген
кернеуінен айырмашылығы бар Vs кеңістіктік аймағында кернеудің түсуі мен
туннелденуін ескеретін жартылай өткізгіштің өткізгіштік зонасынан қарама-
қарсы зонаға бағытталған электрондар ағынын сипаттайды. Үшінші мүшесі
негізгі емес ток тасымалдаушылардың белгілі компонентін анықтайды, сонымен
қатар болжамда туннельдеуді ескере отырып, өткізгіштік тотығында
қабатындағы Ферми квазидеңгейі негізгі емес тасымалдаушылардың кеңісіктік
зряд аймағының шетіндегі негізгі емес ток тасымалдаушылардың белгілі
ткомпонентін анықтайды.Бұл концентрациясы Vs-тен емес Va-дан тәуелді және
фототокты көрсетеді. жұмыста көрсетілген модельденегізгі емес ток
тасымалдаушыларының тасымалы қараңғыда жүрмейтіні болжанады және диэлектрик
қабатында кернеудің түсуі аз болады. Бұл жағдайда(1) теңдеуіндегі үшінші
мүше нөлге тең және х.х. кернеуі келесідей өрнекпен анықталады
жұмыста құрылғылардың сипаттамасы негізгі емес тасымалдаушылар
арқылы анықталатын үлгі көрсетілген. Туннельдеу ықтималдылығы
бірлігіне және Vi тең деп қабылданды. Бұл болжамдарда (1) теңдеуінен
х.х. кернеуі мынаған тең:
жұмыста көрсетілген молельде құрығының спаттамасы екі механизм
арқылы анықталатыны туралы болжам жасалынды: смещение кернеуінен тәуелді
әйтеуір біреуі орын басып қалатын, n1, n2 және мәндерінен тәуелді
негізгі емес тоқ тасымалдаушылардың диффузиясы және термоэлектронды
эмиссия. Бұл параметрлердің типтік эксприменттік мәні n1≤2,5, n2≈1 ;
осындай, КЭ ВАС жұмыс нүктесі негізгі емес тасымалдаушылар арқылы
анықталады[15]. Бұл жағдайда х.х. кернеуі жазылады. жұмысында ,
бірақта диэлектриктік қабатта кернеудің түсуі Vi ≠0 тең болады. Бұл модель
егер базалық жартылай өткізгіште Ферми деңгейі кеңістіктік зарядтар күйіне
әсер етсе онда база мен өткізгіш тотығы арасында токты азайтатын, өрісті
тартатын әсерлер пайда болатын етіп орнатады. Бұл жағдайда х.х. кернеуі VD
диффузиялық потенциялға қарағанда көп алынуы мүмкін. Бұл әсердің шамасын
былай алуға болады: , мұндағы 1≤2,3 мәнінің барлық мүмкін
мәндерінде.
ЖДЖ құрылымды КЭ ориентациясы (100) болатын n типті монокристаллды
кремнийден жасалынған және меншікті кедергісі 5,5 Ом*см ге тең. Кесу және
механикалық тегістеу кезінде бетінде пайда болған тозаңдарды тазалау үшін
деиондалған суларда жуылды. Осыдан кейін тез арада кремнийдің бетіне
қышқылдаандыру арқылы температурада 30 минутта диэлектрикті
өндіреді. Өндірілген қабаттың қалыңдығы элипсометрлік әдіс арқылы
өлшенгенде 1,8 нм болды. Бұның артынан химиялық пуьвернизация әдісімен
қалыңдығы 75 нм болатын SnOx қабаты отырғызылады. Бұл тосқауылдың
қалыптасуын тоқтатты. КЭ жасаудың соңғы кезеңі Ti-Ag контактісін вакуумдық
буландыру әдісімен жасау болып табылады. SnOx бетіне контактіні
тиімділенбеген маска әдісі арқылы орнатылды. КЭ ауданы 12 cм2 құрады.
Процедураның сипаттамасыы көптеген рет жүргізілді, нәтижелердің қолданылуы
жақсы болды.
1.13 сурет- температурасы 297 К тең SnOх-SiO2-n-Si құрылымды КЭ
тура қараңғы ВАС-сы бейнеленген, мұндағы 1тура сызығы n1=3,48 және
қаныққан ток тығыздығы J01=1,5*10-4 Асм2, 2 сызығы- n1=2,86 және
J01=2,5*10-6 Асм2, 3 сызығы- n2=1,05 және J02=6,5*10-11 Асм2 (lnJ
тәуелділігімен[Aсм2] тен V[мВ] дейін). Қараңғы ВАС-ты талдай отырып диодты
токтың тығыздығын мыадай қылып елестетуге болады:
мұндағы J01=10-7-10-4 Асм2 , n12,9; J02=10-11 Асм2, n2=1,0-
1,1.
297 К және 82 К температурада өлшенген КЭ қараңғы ВАС салыстыру,
төменгі смещения кернеуінде олар бірдей иілуге ие болады, бұл туннельдік
механизмде ток ағыны болатынын куәлендіреді. Температурасы 82 К-ді құрайтын
кернеуі жоғары аймақта n2 шамасы температураға тәуелсіз болғанда,
термоэмиссионды ток болуы мүмкін, сол мезетте 297 К болғанда токтың қанығуы
айтылды.
Соңғы жылдары SnO2n-si гетеро ауысуымен жасалған жоғарғы эфективті
күн элементтері зерттеліп келеді. Гетероауысумен жасалған SnO2n-si қабаты
әртурлі әдістерімен алынуы мүмкін.
Күн элементінің аз ауданында жасалған үлгінің ПӘК (пайдалы әсер
коэффициенті) 10%-тен жоғары нәтижеге жеткен. Бұл қабаттар келесі
әдістермен жасалған; электрондық сәулелі буландыру жолы, ертіндіні
шаңдандыру мен гидролиз тәсілі және буландыру әдісімен химиялық отырғызылу
жолымен іске асырылды. Бұл әдістердің ерекше қызықтыратыны арзан күн
элементін SnO2n – гетероқұрылымымен алынуы.Бұған пульверизация үдерісін
қолдану арқылы қол жеткізуге болады.айталық ауданы бірнеше квадырат
сантиметір күн элементінің ПӘК 14%-тен жоғары болады.бірақта мұндай күн
элементтерінің өндірісте кең қолдану мүмкіндігі болмай отыр. Яағни оның көп
уақытты тұрақтылығын қамтамасыз ету керек.
Күн элементтерін қалыптастыру кезінде ертінділердің пулверизациялау
үдерісімен жасалған үлгілердің оптимизация олар металдық контактілік
торларының параметрлерін жане SnO2 жарық өткізгіштік улпысының оптикалық
параметрлерін реттеу арқылы күн элементінің жоғарғы эфективті үлгісін алу
мақсатында күн элементінің ауданы 20см2 үлгісі жасалды.
Герметизациялық қабаттарын қамтамасыз ететін тұрақты жасалған күн
элементінің қасиеттері зерттелді.
Барлық күн элементтері Sncl4 ертіндісімен пулверизациялауарқылы
химиялық өңделген n-типті кремний төсеніш бетіне орнатылды монокристалдық
кремний төсенішінің меншікті кедергісі 0,1_0,5Ом2.см болады.
Металдық контактілер электродық сәулелі буландыру тәсілімен жоғарғы
уакумде орнатылды.Күн елементінің алдыңғы бетіне маска арқылы кантакті
торлары отырғызылды.олар тізбектеліп отырғызылған титан және күміс
қабаттары және қалыңдықтары 50 нм ден 2мкм ге сәйкес келді.
Төменгі қабатқа отырғызылған тұтас метал контактінің қалыңдығы 50нм
және 1мкм болады.
SnO2 үлпісі(қабыршағы) қыздырылған кремний төсенішінің бетіне
пульверизация әдісімен орнатылды. Дайндалған ертіндінің құрамында Sncl4
ертіндісі этилацетат этано және сулар. Жоғарғы сапалы SnO2 улпісының 500Cº
температурада қыздыру арқылы қамтамасыз етеді.
Күн элементі ауданы 1см2 ауданы бар. Төсенішінде жасалынды. Оның беті
винилацетат полимермен герметизацияланды(қапталынды).
Күн элементінің үлгісінің Вольт-әмперлік сипаттамасы L252
қондырғысымен өлшенді. Күн сәулесінің имитаторы ретінде жобамен 100Mвтсм2
жарық қуаты бар жарық көзімен қамтамасыз етілді. Үлгісінің сыну көрсеткіші
қалыңдығы эллипсометриялық әдіспен 632,8нм толқын ұзындығында анықталды.
SnO2 ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Сайланбек Серікбек
НАНОКЕУЕКТІКРЕМНИЙДІҢ ТУНЕЛДІ ӨТКЕЛІНЕН ҚҰРАЛҒАН ШАЛҒАЙ -
БАРЬЕРЛІК SNO2N-SI КҮН ЭЛЕМЕНТІН ЗЕРТТЕУ
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
050611- Астрономия мамандығы
Алматы 2012
Қазақстан Республикасының Білім және Ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика – техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жіберілді
______ Кафедра меңгерушісі___________Приходько О.Ю.
НАНОКЕУЕКТІКРЕМНИЙДІҢ ТУНЕЛДІ ӨТКЕЛІНЕН ҚҰРАЛҒАН ШАЛҒАЙ -
БАРЬЕРЛІК SNO2N-SI КҮН ЭЛЕМЕНТІН ЗЕРТТЕУ
050611-Астрономия мамандығы бойынша
Орындаған
Сайланбек С.
Ғылыми жетекшісі
Диханбаев К.К.
ф.м.-ғ.к.
Норма бақылаушы
Тлеубаева И.С.
РЕФЕРАТ
Көлемі 65 беттен тұратын бітіру жұмысының құрамына 32 сурет, 2 кесте
қолданылған әдебиеттер тізімі кіреді.
Негізгі ұғымдар:
Күн элементі, кеуек кремний үлпісі, Шотки-барьері, вольт-амперлік
сипаттамасы, спектрлік сипаттамасы, пульверизация әдісі.
Жұмыстың мақсаты Беттік барьерлі n-Si күн элементінің тунелді
өткелінен тұратын қондырғының құрылымын қалыптастыру және оның
фотоэлектрлік қасиеттерін зерттеу болып табылды.
Мақсаттың шешімін табатын әдістер:
1) n-Si төсенішінің бетіне нанокеуек кремний үлпісін
электрохимиялық анодттау тәсілімен орнату.
2) SnO2 қабатын пульверизация әдісімен SnCl4 :этилацетат
ерітіндісі арқылы кеуек кремний бетіне қалыптастыру
3) Фронтальды және тыл жағындағы контактлерін құрастыру
4) Дайындалған SnO2n-Si күн элементін фотоэлектрлік
қасиеттерін зерттеу.
Бұл үдерісте SnO2 қабыршағы зерттеушілерді үш қасиетімен
қызықтырады. Біріншіден бұл қабаттың ерекшілігі ток өткізгіш қаблеттілігі
және толқын ұзындығының кең диапазонындағы жарық өткізгіштігі, сонымен
қатар SnO2 қабаты, n-Si жартылай өткізгішімен энергетикалық гетероқұрылымын
қалыптастырады.
Беттік барьерлік күн элементін жасау оңай және жеңіл, өйткені pn –
ауысуындағыдай жоғарғы температуралық өңдеулер жүргізілмейді және де
басқада химиялық желімдеулер ықшамдалған. Болашақта бұл технологиялық
қалыптастыру әдісі күн элементінің жасалу өндірісін арзандатады.
Бітіру жұмысы Нанокеуекті кремнийдің тунелді өткелінен құралған
шалғай - барьерлік SnO2n-Si күн элементін зерттеу.
Бұл материалдағы негізгі алынған тәжірибелік нәтижелер Халықаралық
студенттер мен жас ғалымдардың конфененциясында (23-25 апрель 2012 жыл)
талқыланды.
Глоссарий
ПӘК - пайдалы әсер коэффициенті
ξ -толықтыру коэффициенті
Uxx - бос жүріс кернеуі
Ikz - тұйықталған токтың мәні
- жабық зонасы
Pmax - жарықтың қуаты
SnO2 - қалайы тотығы
SiO2 - кремний тотығы
por-Si - кеуек кремний
n-Si - n типті кремний
SnO2n-Si - қалайы тотығымен n типті кремний өткелі
SnCl4 -төртхлорлы қалайы
ITO - индий қалайы тотығы
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
1.БАСТЫ БӨЛІМ
1.1 Кремний күн элементі туралы жалпы мәлімет
1.2 Күн элементінің жұмыс істеу принципі
1.3 SnO2 мөлдір қабатының оптикалық қасиеттері
1.4 SnO2-Si беттік барьерлік құрылымдары
1.5 Кеуек кремнийдің айрықша қасиеттері
2. ТӘЖІРИБЕ МЕТОДИКАСЫ
2.1 Кеуек кремний қабаттарын қалыптастыру әдісі
2.2 SnO2 кері шағылысу қабатын қалыптастыру әдісі
2.3 SnO2por-Sin-Si құрылымын орнату
2.4 Алынған күн элементінің спектралдық сипаттамасын түсіру
әдісі
2.5 Жасалынған күн элементінің вольтамперлік cипаттамасын
түсіру тәсілі
3. ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕСІН ТАЛҚЫЛАУ
3.1 Кеуек кремний үлпісінің оптикалық қасиеттері
3.2 Алынған күн элементінің спектралдық сипаттамасын зерттеу
3.3 Жасалынған күн элементінің вольтамперлік сипаттамасын зерттеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
КІРІСПЕ
Ғалымдардың болжамы бойынша, көмір, мұнай және табиғи газ, яғни
адамзаттар дағдыланған сол энергия көздері, экономикасы мол елдерге
қатынасты әлі де 50-60 жылға дейін жетеді. Бүгін көп елдердің үкіметтері
қосымша электр көздерін іздестіруде белсенді қаржы салынып жатыр, айталық
күн энергиясын дамытуда. Ғаламдық энергетика мәселелерін шешуде шет елдің
және Казақстанның қөптеген үлкен және кіші компанияларының қүш салуының
арқасында қол жеткізіп отыр. Бұған Қазақстанның жоғары оқу орындары да,
қалыспай ат салысып отыр.
Күн элементін құрастыруда әртүрлі технологиялық шешімдері бар,
айталық барлық күн элементтерін жасауда, кремний жартылай өткізгішінің p-
n ауысуымен тығыз байланысты екені белгілі . Диффузиялық p-n ауысуы 900-
1000°С жоғарғы температуралық режімінде жүргізіледі, бұл көп энергия қуатын
жұмсауға, технологиялық үдерістердің ұзартылуына алып келеді.
Сондықтан күн элементін зерттеушілер, құрастырушылар күн элементін
дайындауда ыңғайлы, қарапайым және жеңіл жолдарын қарастыруда. Айталық,
атом қоспаларын кремний бетіне иондық имплантация әдісімен енгізу, содан
кейін пайда болған құрылымның ақауларын емдеу үшін жоғары температурада
қыздыру жолы . Немесе, соңғы кезде Шоттки металл тосқауын қолдану арқылы
металл-кремний ауысуын қалыптастыру әдісі жиі қолданып келеді, өйткені
бұның жасалу жолы өте жеңіл.
Кейбір жұмыстарда , метал мен кремнийдің арасына, тунельлдік ауысу
қағидасына негізделген, жұқа кремний тотығы SiO2 отырғызылады, яғни бұл
қабат күн элементінің қуаттылығын және эффективтілігін көтереді. Бірақта,
өте жұқа кремний т13отығының қалыңдығы ~2-4 нм бірқалыпты қабатын орнату
қиын мәселе.
Берілген жұмыста беттік-барьерлік Шоттки қабаты ретінде SnO2
диэлектрлік қабыршағын қолдандық, бұл үдерісте SnO2 қабыршағы
зерттеушілерді қызықтыратын үш қасиетімен толықтырады. Біріншіден бұл
қабаттың ерекшілігі ток өткізгіш қаблеттілігі және толқын ұзындығының кең
диапазонындағы жарық өткізгіштігі, сонымен қатар SnO2 қабаты, n-Si жартылай
өткізгішімен энергетикалық гетероқұрылымын қалыптастырады.
Бұл жұмыстың тағы бір ерекшілігі жоғарыда айтылғандай, тунельдік SiO2
ауысу қабаты ретінде кремний нанокеуек үлпісін қолдандық, бұл қабатты
электрохимиялық анодтау жолымен қалыптастыру, қарапайым және жеңіл болып
келеді. Сондықтан беттік-барерлік SnO2n-Si күн элементін жеңіл әдіспен
жасау және оны зерттеу өте маңызды және актуальді болып табылады.
1. БАСТЫ БӨЛІМ
1.1 Кремний күн элементі туралы жалпы мәлімет
Қоршаған ортаны ластандыру мәселелері бойынша және қазып алынған
отынның таусылуына байланысты дәстүрлі емес энергия көздеріне, әсіресе күн
энергиясының электр қуатына тікелей түрлендірілуі (қүн элементтері,
фотовольтаика) зор қызығушылық тудырып отыр.
Әлемде атом энергиясын қолданудан бас тартып отыр, оның себебі адам
факторымен табиғи катаклизмдерінің өршуінен атом электростанциялардың
аварияға, ұшырауына байланысты болып отыр.
Егер 1973 жылы жалпы соммасы 0,07 Гвт күн батареясы және күн элементі
жасалып шығарса, 2007, 2008, 2009, 2010 жылдары жасалып шығарылған күн
элементтерінің тек қана бір жылдың ішінде мына мәліметті құрады: 2007 г.-
4,27 ГВт, в 2008 г.- 7,9 ГВт, 2009г.- 12,46 ГВт, 2010 г.- 27,2 ГВт болды.
Мұндай қарқынды өсуі, ешқандайда басқа әлемдік өндіріс салаларында
байқалған емес.
Сонғы жылдары әлемдік дамыған елдерде, энергетика баланысындағы күн
энергиясының үлесі үздіксіз өскенін қадағалап отырмыз. Онымен қатар, 2050
жылдан бастап күн энергетикасының үлесі көміртегі сутегінің үлесіне
қарағанда артығымен өсетіндігін болжап бағдарлап отыр.
Бұның бәрі қүн элементтерін және күн энергетикасын, экономикасы
дамыған елдердің мызғымас бір бөлігі болып саналады. Сондықтанда, Араб
Эмираты көмірсутегі шикі зат өндіруде бірден-бір көш басшы бола отырып,
2008 жылы өздерінің күн электрлік батерея технологиясын дамытудағы
бағдарламасына 10 млрд. доллар бөлді. Сондай ақ, осындай салыстырмалы
немесе одан көп қаржы Европа Одағы, АҚШ - пен Жапония елдері бөлді.
Соңғы 5-6 жылда Қытай фотовольтаика дамуында таң қаларлық жетістікке
жетті және күн элементтерді және батереялардың өндіру көлемінен бірінщі
орынға шықты, бұл орайда Жапонияны екінші орынға ығыстырды. Қытай фирмалары
әйгілі немістің ”Q-Cells” және жапонияның “Sharp”, “Kyocera”фирмаларын
артта қалдырып суырылып алға шықты.
Күн элементтерінің технологиялық жетілдіру жұмысы екі бағытта
жүргізіледі: технологиялық даярлауын арзандату және күн энергиясының
түрлендіру тиімділігін арттыру. Соңғы жылдары наноматериалдар негізінде
күн элементтерін құруда және оның қасиеттерін жақсартуда зерттеулер
жандандыруда, олар фулерендер, нанотрубкалар, графендер, металдар
нанобөлшектері және оның тотықтары және т.б .
Беттік барьерлік қалайы тотығын қолдану арқылы жасалған күн элементін
алу жолы бірден бір перспективалық әдіс болып қала береді. Бұл жол өте
жеңіл және қарапайым, яғни жоғарғы температуралы өңдеуді процессін жасауды
қажет етпейді. Екіншіден қалайы тотығын отырғызу жолы жеңіл жолмен алынады,
айталық пульверизация әдісімен өте төменгі температурада отырғызу арқылы
іске асады.
Онымен қатар қабатаралық тунельді кеуек кремний қабыршағын кристалды
кремний мен қалайы тотығының арасына орналасуы жоғары электр өрісін
қалыптастырады, бұл фототоктың және кернудің көтерілуіне мүмкіндік береді.
Олай болса айтылып өткен артықшылықтар, беттік барьерлік қалайы
тотығын қолдану және нанокеуек үлпісін отырғызу әдісінің келешегі
наноматериалдардың кең масштабты өндірісін ұйымдастыруға өріс алады.
Бұл жұмыс кремний және арсенид галлии күн элементтерінің шығу
параметрлерін жақсартуға бағытталған, олардың құрылысында оптикалық мөлдір
қалайы тотығын қолдану арқылы іске асырылуы және күн элементтерінің
құрылымында қолдану арқылы зерттелуі жаңа бағыттың бірі болып саналады.
Графендік қабыршақтарды және металл-тотықтық нанобөлшектерді күн
элементтерінің құрылымда қолдануы Шоккли-Квейсера эффектісінің шартын
шектелуін алып тастауға мүмкіндік береді, яғни фотондардың бір электрондық-
кемтік парынан көп генерация жасауға жағдай жасалады, бұл қысқа ток
тұйықталуының айтарлықтай өсуіне алып келеді, олай болса күн элементтерінің
пайдалы әсер коэффициентін (п.ә.к) арттырады.
Сонымен, жоспарланған зерттеулердің актуальділігі және жаңалығы
халықаралық тәжірибеде және біздің елде өте ерекше. Зерттеулердің
перспективалық бағыттары келесі мәселені түйіндейді, алынған нәтижелер жану
және қатты денелі оптоэлектроника ғылымында фундаментальдық және қолданбалы
міндеттерді шешуге қолдануы мүмкін. Жүргізілген зерттеулер, күн
элементтерін даярлауда жаңа бәсекелістік қабілеттігін жетілдіруге мүмкіндік
береді.
1.2 Күн элементінің жұмыс істеу принципі
Жартылай өткізгіштік, мысалы кремнийлік кең таралған құрылымымен
фотоқабылдағыш өзімен бірге р- және n-типті өткізгіштігі бар және бір-
бірімен өзара байланысқан екі жартылай өткізгіштік қабаты бар жүйені
құрайды.
Ферми теңдігі кемтік пен электрон арасындағы тепе-теңдікті
анықтайтын барлық материалда бірдей болуы керек. Бұл шарт p-n ауданында
екі зарядталған қабатпен қамтамасыз етіледі, көлемді зарядпен аталған
қабат және электростатикалық потенциалмен жүріп отырады (1.а-сурет).
p-n-өткізгіштігінің тосқауыл потециалының биіктігі, p-n өткізгіштік
материалының орналасу тереңдігіне тең[1].
Осы жерде айтып кететін жайт Ферми теңдігінің орналасуы, бір жағынан
р-n өткізгішінің қасиетінің өзгергіштігіне бағытталған, ал екінші жағынан,
оның температураға байланысты оптикалық және фотоэлектрлік қаситетінің өте
күшті тәуелділігін анықтайды.
1 сурет- Жарықтандырылмаған p-n өткізгіш ауданының жартылай
өткізгіштік энергетикалық зонасының структурасы (а) және
(б)электростатикалық потенциалының анықталуы
Жартылай өткізгіштік структурасының бетіне құлайтын p-n –өткізгіштігі
бар оптикалық шағылысу электрондық және кемтік жұбын құрады, сонымен қатар
бу концентрациясы p-n өткізгішінің бағытымен жоғарыдан тереңге қарай
біртіндеп түседі. Егер беткі қабаттың p-n-өткізгішіне дейінгі арақашықтығы
жарықтың 1α тереңдігіне енуінен аз болған жағдайда ғана, жұп p-
nөткізгішінен жасалады. Егер өткізгіш пайда болатын жерден диффузиялық
ұзындықтан аз алшақ болса, онда олар диффузия артынан p-n-өткізгішіне барып
және оның электр өрісі әсерінен бөлініп кетеді. Электрондар-электронды, ал
кемтіктер кемтік бөлігіне ауысады.
Пайда болатын фото - ЭДС (электр қозғаушы күші) бұл тосқауылды
азайтады, өз кезегінде қайшы келетін электрондар мен кемтіктер электрондар
ағынымен кездесуіне әкеледі. Бұл ағындар токқа тура бағытта тепе-тең болып
келеді.
Осылайша, жарықтандырудың басталуымен p-n-өткізгішінің электрон
бөлігіндегі электрондардың артығынан[1] және кемтік бөлігінде кемтіктердің
жиналуы сыртқы бетінде тоқтың көбеюіне және тосқауыл биіктігінің немесе
электростатикалық потенциалының азаюына алып келеді (1.б-сурет)
p-n-өткізгіші арқылы немесе сыртқы ауыртпалыққа кететін жарық арқылы
құралатын артық будың саны бу мөлшерімен салыстыратын болса, стационарлы
жағдай орнығады. Ереже бойынша,жарықтандыру басталғаннан кейін мыңдаған
секунд асқаннан кейін басталуы тиіс.
3. SNO2 - наноқабаттарының оптикалық қасиеттері
Тиым салынған зонада оттегі жетіспеушілігімен көрінетін және
локальдандырылған күйлер тудыратын () атомдарының беттік және
кристалларалық күйлері анықталатын наноқабаттарының оптикалық
спектрлерінің және вольт – амперлік сипаттамаларының ерекшеліктері табылды.
наноқабаттарындағы зерттелініп отырған өлшемдік эффект тиым салынған
зонасының өлшемінің көлемдік -мен салыстырғанда үлкеюімен
көрінеді.[2]
– - тиым салынған зоналы n-типті жартылай өткізгіш .
пленкалары оттектік бос орындармен қамтамасыз етілетін
электрөткізгіштігінің кең диапазонының арқасында қатты денелік газдық
сенсорларда оптикалық мөлдір электродтар ретінде қолданылады. Қышқылдардың
құрылысының дефектілік деңгейі және оның электрөткізгіштігі белгілі
мөлшерде пленкаларын алу технологияларымен анықталады. Бұл жұмыста
наноқабаттары қалыңдығы 30 нм болатын қалайы пленкаларын құрғатылған
ауа атмосферасында қышқылдандыру жолымен алынды.
Тазалығы 99,99 % болатын қалайы - аргонның плазма тудыратын
ортасында шашыратулардың магнетронды жүйелер көмегімен шеттерге келтірілді.
Қалайы пленкаларын қышқылдандыру екі кезеңмен жүргізілді. Бірінші кезеңде
пленка температураға дейін қыздырылды, -нің балқу нүктесінен
төмен екі сағаттық күйдіру. Екінші кезең – жай қыздыру (мин) қажетті
температураға дейін және тұрақтандырылған 2h аралығында күйдіру. Әртүрлі
үлгілер үшін тұрақтандырылған күйдірудің температурасы аралығында
өзгертілді.
200, 400 және температураларда қышқылдандырылған
наноқабаттардың фазалық құрамы жалпы дифракция режимінде жарықтандырылған
электрондық микроскопия әдісімен оқытылды. Наноқабаттардың күйдіру кезінде
алынған фазалық құрам байланысуына сәйкес келетіндігі бекітілді. Жұқа
пленкаларда стабильді тетрогональды фазалардан басқа температуралардың
барлық зерттелінген интервалдарында стабильді емес қалайы диоксидінің
орторомбтық фазасы байқалады.
Электрондық дифракция суреттерінің интенсивтілігінің анализі
көрсеткендей пленкаларда осы фазалардың құрылысы мен құрылымы салыстырмалы
және пленканың әртүрлі күйдіру темпреатураларында айтарлықтай өзгермейді.
250, 450, 550 және температураларда күйдірілген
пленкаларының оптикалық сипаттамалары толқын ұзындығы 200-1200 нм
диапозонында, 1 нм қадаммен, зерттелінді. Үлгілердің жұту спектрлері 1-
суретте көрсетілген.
Жоғары температуралы үлгілердің өзіндік жұту шектері (450, 550 және
) жақсы сәйкестіктерге ие (1.1-сурет). Осы үлгілер үшін тік өтулердің
нөлдік мәніне қатысты экстрополяция жолымен анықталынған табалдырықты
энергия облысында жатады. температурада тотықтандырылған үлгі
үшін бұл мөлшер біршама азырақ және ол құрайды. Тік өтулердің
энергияларының мұндай мәндері әдебиеттерде келтірілген көлемді үлгілер
болатын үлгілер үшін алынатын -орташа мәнімен салыстырғанда
біршама аса көтғрілген болып табылады. Зерттеу жұмысымызда алынған
үлгілердегі наноқабаттарының -мөлшерінің үлкеюін қабат квантының
кішкене қалыңдықты өткізгіштігімен, яғни өлшемдік эффектімен түсіндіруге
болады.
Алайда, біздің спектрлерде үлкен қызығушылықты 250 және
температураларда күйдірілген үлгілерде облысындағы спектрлік максимум
тудырады. температурада күйдірілген пленка спектрінде осы максимум
айтарлықтай азаяды, және жоғары температуралы пленканың () қисығында
осы ерекшелік үлгінің жоғарға бөлігінде немесе төменгі бөлігінде құбылады,
нөлге жақын экстраполяция шамамен сол энергияға жақын энергия
береді[2].
Жұмыста жүргізілген дефектілердің тепе-теңдігінің термодинамикалық
анализі гомогенді облысының шектеріндегі дефектілердің маңызды
типтері оттегі бос орындарының екі рет иондалғандығы болып табылады.
Термогравиметриялық зерттеулердің мәліметтері бойынша қалайы
оксидінің () құрамы формуласынан анық көрінеді, мұндағы,
стехиометриядан ауытқу . Оттегі бос орындарының концентрациясы
құрамында оттегісі бар ортада үлгілерді күйдіру кезінде азая бастайды.
поликристаллдық үлгілерінің тыйым салынған аймағында
электрондық күйлерінің энергетикалық спектрі тұрақты орнатылмаған. Сонымен
қатар монокристаллдарында оттегі бос орындарының [] және []
энергетикалық деңгейлері жеткілікті түрде өте жақсы анықталынған жұмыс
бойынша, олар сәйкесінше және тереңдікте, өткізгіштік зонасының
төмен аймағында жатады, яғни, біз бақылап отырған пикке қарағанда жұтылудың
негізгі шетіне айтарлықтай жақын. Сайып келгенде, біз алған нәтижелерді бұл
мәліметтермен түсіндіру мүмкін емес[3].
Сонымен қатар жұмыстардың авторлары екі әр түрлі псевдопотенциалды
комбинацияларда тығыздық функционалы әдісімен зондық құрылысқа беттік
күйлердің жиынтығы және жұтылудың оптикалық спектрлерін анықтады. Олар
қалыңдығы екі элементарлы ұяшық болатын ленталық нанокристалының
бетінде мостиктік оттегі атомының болмауы жұтылудың негізгі шетінің алдыңғы
бөлігінде орналасқан оптикалық спектрлерде қосымша максимумның
интенсивтілігінің пайда болуына әкеледі.
1.1 сурет- Әртүрлі температураларда тотықтандырылған
пленкаларының жұтылу спектрлері
Табиғаты бойынша, яғни өзіндік табиғи қасиеті бойынша жақын
максимумның пайда болуы, біздің жұмыстарымызда алынған
наноқабаттарының жұтылу шектерінде тіркелген. Ол оттегінің
жетіспеушілігінің шарттарынан болатын беттік және кристалларалық күйлер
жиынтығын шағылдырады. Оттегі ауасында наноқабаттардың күйдіру
температурасының артуы осы дефектілерді дұрыстайды, максимум интенсивтілігі
азаяды, және температурада жұтылу шегінің “төменгі бөлігінде” пайда
болады (1.1-сурет).
Сонамен бірге, ленталық монокристаллдағы негізгі тыйым салынған аймақ
(Брюллен зонасының ортасындағы тік өту) көлемдік -ге
() қарағанда аралықтан үлкендеу аралықта болады. Осыдан,
тәжірибеде зерттелініп отырған наноқабаттың мәні көлемдік кристаллдардағы
және жуан қабаттардағы -тің -ке қарсы экстраполяция кезінде
берілетін негізгі жұтылуын өлшеуде үшөлшемді кристаллдан 3D екіөлшемді
кристаллға 2D өту кезінде үлкеюінің өлшемдік эффектісі шығады.
Алынған наноқабаттарында оптикалық спектрлерден басқа тесттілеу
сигналының 1Mhz жиілігінде зерттелінген гетероөтуінің (C-V) вольт-
фарадтық сипаттамалары зерттелінді. Капталдағы және төменгі өлшенетін
электрод ретінде n-типті монокристаллдық кремний қолданылды. Кремнийдегі
табиғи туннельді-мөлдір (3нм) оксидті қабат шалаөткізгішдиэлектрик
гетерошекараларының параметрлерін жүйеге келтіреді жәнне қалайы оксидінің
электрондық құрылысының ерекшелігін көрсететін фонда беттік күйдің төменгі
тығыздығын қамтамасыз етеді.
Төменгі температуралы ( және )үлгілердің вольт-фарадтық
сипаттамалары тез электрондық күйлердің қайта зарядтау деңгейлерімен
байланысты нөлдік потенциал аумағында бірқатар ерекшеліктерге ие (1.2-
сурет). Үлгілердің тотықталу температурасының өсуімен байланысты вольт-
фарадтық сипаттамасының жай түзелуі электрондық күй тығыздығының
төмендеуімен түсіндіріледі.
1.2 сурет- тотықталуының әртүрлі температуралары үшін
гетероөтуінің вольт-фарадтық сипаттамалары
Жоғары температуралы () күйдіру дефектісіз қабатының пайда
болуына әкеледі, сондықтан оптикалық спектрлердегі секілді C-V – қисығында
монотондық болмайды.
Сонымен, осы жұмыста алынған анализ нәтижелеріне байланысты мынадай
қорытынды шығаруға болады: оптикалық спектрлердің және вольт-фарадтық
сипаттамаларының ерекшеліктері тыйым салынған зонасының
локаольдандырылған күйлерінің пайда болуына әкелетін наноқабаттарының
оттегі жетіспеушілігімен болатын () атомдарының беттік және
кристалларалық күйлерімен анықталады.
1.3.1 Қалайы окисдының жұқа қабыршақтарындағы еркін заряд
тасымалдаушылардың оптикалық қасиеттері
1.3 суретте әртүрлі температураларда күйдірілген, үлгілердің жарықтың
комбинациялық шашырауының спектрлері келтірілген. Бастапқы үлгінің (1
қисық) спектрінде, метал қалайы қабыршағының ауада қышқылдануы нәтижесінде
пайда болған, қалайы оксидының Sn-O фазасының тербелуіне сәйкес келетін,
211 см-1 болғандағы А шыңы бар[4].
1.3 сурет-SnOx қабыршақтарының жарықтың комбинациялық шашырауының
спектрлері: метал қалайының бастапқы қабыршағы(1), Tα= 350 (2) 550(3) және
750 ˚С(4) температурада күйдіргеннен кейінгі . Вертикаль үзік сызықтар SnO
жәнеSnO2 валенттік тербелістеріндегі шашырау шыңдары. Спектрлер вертикаль
осі бойынша тіркелген
Төменгітемпературалық қыздырып өңдеуде (Tα =350 °C, 2 қисық) А
шыңының интенсивтілігінің артуынан көрінетін, осы фаза көлемінің ұлғаюы
ғана болады. Толқындық сандары 141,148,188,237,245 см-1 болған кездегі,
3спектрдегі қосымша максимумдардың болуын, жоғары температурада қыздырып
өңдеу, зерттеліп отырған үлгінің қышқылдануына және Sn2 O3 мен Sn3 O4
секілді, стехиометриялық емес қалайы оксидының осындай фазаларының
түзілуіне алып келетіндігімен түсіндіруге болады. Сонымен қатар, 550°C та
күйдірілген үлгінің спектрінде, SnO2 фазасының A1g тербелісіне сәйкес
келетін, 633 см-1 кезінде В шыңы пайда болады. Өңдеу температурасын 750 °C-
ге дейін арттырғанда (4 қисық) метал қабыршақтардың толық қышқылдануы және
тек қана бір В шыңының сақталуында көрінетін, қалайы диоксидінің бірфазалық
үлгісінің түзілуіне алып келеді. Қыздырып өңдеу температурасын арттырған
кездегі үлгілердегі SnO2 фазасының бірең-сараң ұлғаюы, сондай ақ, Sn-O 500-
700 см-1 валенттік тербелу аймағындағы өткізудің инфрақызыл спектрінде де
байқалады.
Жартылайқткізгішті материалдарда жарық толқынының электр өрісі,
шаңылу мен жұтылудың тән спектрлеріне алып келетін, еркін заряд
тасымалдаушылармен (электрондармен, кемтіктермен) өзараәрекеттесе алатыны
белгілі. 1.4 суретте 5 минут ішінде 1,4Вт қуатпен және толқын ұзындығы
380нм ультракүлгін диапазонының сәулеленуімен әсер еткеннен кейінгі,
зерттеліп отырылған үлгілердің өткізуінің айырмалық инфрақызыл спектрлері,
сондай ақ, қараңғыда, жоғары температура кезіндегі үлгінің спектрі
көрсетілген.
1.4 сурет - қосымша әсер еткен кездегі әртүрлі стехиометрияның SnOx
қабыршақтарының өткізуінің айырымдық инфрақызыл спектрлері : 22˚С кезінде ,
x≈1(1) 1.3x2 (2); x≈2, жарықтандырғаннан кейін қараңғыда 250˚C(3) кезінде
және 22˚C жарықтандырғаннан кейін(4)
Жарықтандырғаннан кейін, өткізу коэффициентінің монотонды кемуі
байқалатыны көрініп тұр (2 және 4 қисық). Оптикалық қасиеттердің осындай
өзгерістері, қараңғыда қыздырған кездегі үлгілер үшін де бақыланады (3
қисық) Осы нәтижені, еркін заряд тасымалдаушылар (электрон)
концентрациясының ұлғаюымен түсіндіруге болады. Алынған мәліметтер,
инфрақызыл спектрлердің ультракүлгін сәулеленінен кейінгі модификациясы
(түрленуі), 250 °C дейін қыздырған кезде пайда болатынға жақын
концентрациялы еркін заряд тасымалдаушылардың пайда болуымен байланысты деп
қорытынды жасауға мүмкіндік береді[5].
Білетініміздей, үлгіге, тыйым салынған зона енінен кем фотон
энергиясымен әсер еткенде, еркін электрондардың басым монополярлы
генерациясы жүреді. SnO2 фазасы бар үлгілерде бақыланатын эффектілерді,
бәлкім, SnO2 фазасында ақаулы күйге сәйкес келетін деңгейі бар
электрондардың фотоқызуының болуымен түсіндіруге болады. SnO үлгісінде
еркін заряд тасымалдаушылар концентрациясының ұлғаюының осы салдары
бақыланбайды.
Инфрақызыл спектроскопиясының алынған мәліметтерінің сандық
сипаттамалары үшін, диэлектрлік өтімділіктің ɛ жиіліктен ω тәуелділігі
келесі өрнекпен көрінетін, турде классикалық үлгісін қолдануға болады:
(1)
Мұндағы, - жоғары жиілікті (оптикалық) өтімділік, (SnO2 үшін
), g- өшу тұрақтысы,
(2)
өрнегімен берілетін плазмалық жиілік, m*-эффективті масса,(қалайы
диоксидіндегі еркін электрондар үшін m*=0,3m0 , еркін электрон массасы
m0=9,1×10-31 кг, электр тұрақтысы =8,85×10-12 Фм ), N- еркін заряд
тасымалдаушылардың концентрациясы.
Жұтылу коэффициенті, әлбетте, келесі өрнекпен бойынша есептелуі
мүмкін,
α=2ωχc ,
(3)
мұндағы, χ - комплексті сыну көрсеткішінің жалған бөлігі, c=3×1010
смс- жарық жылдамдығы.
Біздің жұмыста, өткізу спектрлері, спектроскопиялық бірліктерді
(толқындық сандарды) қолдану арқылы ν=ω2πc есептелді. Осыдан (1) өрнектегі
өшу тұрақтысы g*=g2πc түрге өзгереді.
1.5 суретте, өткізудің эксперименталды мәліметтерінен келесі өрнек
бойынша алынған жұтылу коэффициентінің спектрі келтірілген
α(ν)=-ln[T(ν)]d,
(4)
Мұндағы,T- өткізу коэффициенті, d-қабыршақ қалыңдығы. Сондай ақ, 1.5
суретте, g*=550 см-1 және N=1,1× 1019 мәндерімен (1)-(4) өрнектер
бойынша есептелген теориялық қисық келтірілген. Тәжірибемен салыстыру,
заряд тасымалдаушылардың жоғары концентрациясына қыздыру кезінде де,
фотоқозу кезінде де жету мүмкіндігі туралы дәлелді растайды.
1.5 cурет-қараңғыда 250˚C(1) кезінде және 22˚C (3) кезінде
жарықтандырғаннан кейінгі SnOx (x≈2)қабыршақтарының эксперименталды жұтылу
спектрлері . 2- өшу параметрінің g*=550см-1 мәніндегі және еркін заряд
тасымалдаушылардың концентрациясы N=1.1∙1019 см-3 болғандағы есептік
спектрі.
1.3.2 SnO2 жұқа қабыршақтарының микроқұрылымы және физикалық
қасиеттері
Оптикалық жұтылу спектрлерін өлшеу(1.6 сурет), SnO2 қабыршағының
жұтылу коэффициенті (103-104) см-1 ді, ал шыны төсеніште, толқын
ұзындығының осы диапазондағы жұтылуы α=(2-20) см-1 құрайтындығын
көрсетеді. Меншікті жұтылу шегі (2,8-3,3) эВ аймағында жатыр.
Қабыршақтардың тыйым салынған зонасының ұзындығын дәлірек бағалау үшін және
оптикалық ауысулар сипаты туралы мүмкіндігінше талдау үшін, оптикалық
өлшеулер нәтижелері α2=f(hν)(тура ауысулар) және α12 =f(hν)(тура емес
ауысулар) координаттарына тұрғызылады . Қабыршақтардың жұтылу спектрелрі
α12 =f(hν) координаттарында жақсы түзіледі, ал тыйым салынған зона ені ΔE≈
3эВ мәніне жақын, яғни SnO2 (ΔE=3,54 эВ) монокристалдарының тыйым салынған
зонасы енінен әлде қайда кем, және қалайы қос тотығының синтезделген
үлгілерінің сиехиометриялық емес құрамының салдары сияқты, қабыршақтардың
жоғары ақаулығынан да зона күйінің соңының болуының да салдары болуы
мүмкін.[6]
1.6 cурет- Шыны төсеніштің әдеттегі жұтылу спектрлері (1) және
SnO2(2) қабыршақтары
Термоөңделген қабыршақтардағы рентген дифракциясының нәтижелері
1.7 суретте көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай, ритул типті торы бар
қалайы диоксидінң (a=0,4760нм, с=0,3178 нм) тетрогональды фазасының шыңдары
ғана бақыланады.
SnO2 торында сүрмені ендіруді немесе ауыстырудың қатты ерітіндісінің
пайда болуын білдіруі мүмкін, сүрмемен байланысты жеке фазаның болуы
табылмады. Шерер өрнегі бойынша бағаланған, дәндердің орташа өлшемі 11,0
ден 19,4 ге дейін құрады[7].
SnO2 қабыршақтарының микроқұрылымы жарық түсіретін электрондық
микроскопия әдісімен зерттелді (1.8 сурет). Бұл нәтижелер ренигендік талдау
нәтижелерімен сай келеді. Дәндердің өлшемінде және пішінінде үлкен біртекті
еместігі, сондай ақ, олардың агломераттарының пайда болуы байқалады. 1.8,a
суретте қабыршақтың қараңғыдағы суреті келтірілген.Брэг бағдарына жақын
кристалдар, ашық түстермен сипатталады. Жолақаралық ара қашықтытың, бірінші
жеті дифракциялық дөңгелектер диаметрлерін өлшеу арқылы анықталады (1.8,в
сурет) және рентген дифракциясы нәтижелері бойынша рутил құрылымына сәйкес
келеді. Қараңғыда алынған суретте, эллипсоиданың үлкен және кіші осьтері
бойынша 100 ден астам кристалиттердің өлшемдері анықталды және
орташаланды. Дәндердің орташа өлшемі 11,0-19,4 нм аралығында жатады.
Өкінішке орай, өте майда дәндерді(3 нм кем) есептеу қиын болды.
1.7cурет- Қыздырып өңдеуден кейінгі SnO2 қабыршағының рентген
дифрактограммасы
Сандық микроталдау нәтижелері, қабыршақтағы сүрменңғ орташа мөлшері
3% ды құрайтынын көрсетті. Осындай сүрме концентрациясы бар SnO2 қабыршағы
жақсы электрөткізгіштігімен, тұрақтылығымен және жоғары газдық
сезімталдығымен сипатталады. Қабыршақ ортасындағы сүрменің мөлшері, шеткі
аймақтарға қарағанда 1,5 есе жоғары болуы, қабыршақты айналдыру кезіндегі
үлгі ұстағышының айналуының болмауынан болуы мүмкін.
Дебай ұзындығын L=( ε0εkTe2h)12 бағалау үшін, SnO2 үшін ε =13,5
мәнімен және біздің өлшеулерде алынған заряд тасымалдаушылар
концентрациясының температуралық тәуелділігін қолданамыз. Осыдан, тіпті
дәннің минималды өлшемі D=11нм жіңішке тамақ шартын қанағаттандырады:
D(2L)1 бөлме температурасынан (L=3,35) 100°C дейін (L~7нм). Өте
жоғары температура кезінде, оның ішінде қабыршақтардың максималды
сезімталдығы температураларында (330 және 360°C), өте аз бөлшектер шарты
D2L1 сақталады.[8]
1.8 cурет- SnO2 қабыршағының темнопольный бейнесінің микросуреті
Осылайша, зерттеген SnO2 қабыршақтарындағы ток ағынын сипаттау үшін,
қалайы диоксидінің поликристалды қабаттарының жеткілікті жоғары газдық
сезімталдығын қамтамасыз ететін, өте аз бөлшектер және жіңішке тамақ
мөдельдері негізі болып табылады.[9]
1.3.3 Газтасымалдау синтезі әдісімен алынған, қалайы оксиді
нанокристалдарының морфологиясы
Негізінде, газ тасымалдау синтезін түтік тәрізді пештерде, аргонның
оттегімен қоспасының (~1-5%) ағынында және газдық ортаның төменгі қысымында
(~200-400 mm Hg) жүргізеді. SnOx буының көзі ретінде ішінде SnO бар алунд
(Al2O3) тигель қолданылады. Түтік тәрізді пешті қыздыру сыртқы
қыздырғышпен жүзеге асырылады.
Үлгілердің микроқұрылымын зерттеу және химиялық құрамын бақылау,
микроталдама жасау үшін рентген спектрометрімен жабдықталған JSM-6380LV
автоэммисиондық көзі бар сканерлеуші электрондық микроскопта жүргізілді.
(Oxford Instruments, Inca). Дифрактограммалар DRON4 дифрактометрінде
тіркелді (CuKα сәулеленуі, бұрыштар диапазоны 2θ 20-70°, 0,5° қадаммен).
Рентгенфазалық талдама PDF 2 электрондық кітапханасы көмегімен жүргізілді.
1.9 cурет- газтасымалдау синтезі әдісімен әртүрлі технологиялық
шарттарда алынған SnO2 кристаллдарының морфологиясы
Алынған эксперименттік нәтижелерді талдай отырып, бу-сұйық-кристал
механизмі бойынша жіптәрізді кристалдардың өсуіне алып келетін,
конденсацияның температуралық шартытары 1000° С дан аумақта жатады. Осындай
өсулерге алып келетін, бу көздері SnO болу керек, себеьі диспропорциялау
нәтижесінде, наножіптің негізгі құрылыс материалы және жіптің өсетін
соңындағы еріген метал тамшысының қоректенуін қамтамасыз ететін, металл
қалайы болып табылатын SnO2 түзіледі.
1.10 суретте көрсетілген кристалдар бу көздерінің температурасы 1200
°С болған кезде алынады. Бұрын алынған үлгілерге қарағанда, өсірілген жіп
соңдарында метал шарлар (Sn) анық көрінеді, бұл кристалдар өсуінің басқа
механизмін, атап айтқанда, бу-сұйық-кристал механизмін көрсетеді.
Жіптер соңындағы шарлардың құрамы рентген-фазалық зерттеулер
көмегімен анықталды.
Газ тасымалдағыштардағы оттегі концентрациясының өзгеруі де SnO2
өсуші жіптердің диаметріне әсер етеді. Оттегі концентрациясының ~0,1%
(Т~1200 °С) деңгейіне дейін азаюы кезінде диаметрі бірнеше μm болатын SnO2
жіптері және диаметрі 10 μm дейін Sn шарлары алынды. Бұл деректі,
газтасымалдағыштағы оттегі- стационар процессті ұстап тұруға, яғни Sn ді бу
фазасынан жеткізу немесежәне SnO буларынан оның түзілуіне (диспропорциялау
раекциясы) және оның қышқылдануына жеткіліксіз болуымен түсіндіруге болады.
Нәтижесінде, шардың өлшемі, синтез басынан бастап үнемі артып отырады. SnO2
жібінің диаметрі, әдебиетке шолу бөлімінде көрсетілгендей, металл шардың
өлшемінен және ерітілген қалайы мен SnO2 жібінің соңы шекарасында
орналасқан өсу зонасынан тәуелді. p-n ауысудың кремний диодтарын күн
батареялары үшін қолдану өндірістің күрделі процестері кемшілігіне ие. Бір
жағынан, nn- гетероауысулардың SnO2Si қысқа тұйықталудың, жылдам
қадағалаудың үлкен тогі, сондай-ақ, кең спектралды үн беру секілді жағымды
сипаттамаларға ие. Осы жұмыста, SnO2-Si nn-гетероауысуларымен жасаудың
қарапайым әдісі ұсынылады. Меншікті кедергісі 0,7 ден 1 Ом×см ге дейін
болатын, n-Si пластина түріндегі төсеніш 5:3:1 пропорциялы HF:HNO3:СН3СООН
ерітіндісінде химиялық өңдеуге түседі. Содан кейін, деиондалған H2O
жуылады, және тез кептіреді. Пластинаның бір бетіне AuSb сызығы жағылған.
SnO2 жартылайөткізгішті қабыршағы, ауада 300 °С температура кезінде,
қойыртылған HCl және H2O қоспасында SnCl4-xH2O ерітіндісін бүрку жолмен
пластинаның екінші жағына отырғызылады.
1.10 cурет- газтасымалдау синтезі әдісімен әртүрлі технологиялық
шарттарда алынған SnO2 кристаллдарының морфологиясы
1.3.4 Газды микро- және наносенсорлар үшін por-SiSnOx нанокомпозит
қабаттарын алу
por-SiSnOx композиттері, қалыңдығы 300 мкм, КДБ-0,005(111) p-типті
монокристалды кремнийдің өңделген пластиналарын анодты өңдеумен алынған,
кеуек кремний қабаттарында жасалды. Анодты өңдеу үшін HF(42%):C3H7OH=1:1
құрамды электролит қолданылды, ток тығыздығы 75 мАсм2 , қалыңдығы ~1,5
мкм қабаттарды алу кезіндегі өңдеу уақыты 40 с құрады. Алынған қабаттардың
кеуектілігі 40%, жарықтың комбинациялық шашырау мәліметтері бойынша 8-10
нм болды. Жарық түсіретін электронды микроскопия мәліметтері бойынша,
кеуек кремний қабатындағы тесіктердің өлшемі 100-200˚A құрайды.
por-SiSnOx композитын алу үшін, магнетронды тозаңдау әдісімен,
аргон плазмасында 0,1Па қысымда, вакуумде, Sn тозаңдау жүргізілді, разряд
тогы 100 мА, кернеу 500 В, тозаңдау процесінің ұзақтығы 15 мин құрады. por-
SiSnOx құрылымын тозаңдағаннан кейін, оттегі бар атмосферада термоөңдеу
жүргізілді[10].
Бугаз фазадан отырғызу кезінде алынған por-SiSnOx композиты,
SnCl2.2H2O (670 К температурада) термиялық ыдырауы кезінде және осы
байланыстың гидролизінде түзілетін SnO бірең-сараң қышқылдануында (470К
температурада) пайда болады:
SnCl2∙2H2O→T→ SnCl2+2H2O↑,
SnCl2+2H2O→Sn(OH) 2+2HCl↑,
Sn(OH2) →T→SnO+H2O↑,
SnO+xO2→T→SnOx
Магнетронды тозаңдау әдісімен por-SiSnOx композитын алу
мақсатында,
por-Si қабаты сусыз сұйық SnCl4 ортада, бөлме температурасында, 20мин
әшәнде ұсталды,содан кейін, гидролиз кезінде HCl жою үшін 373
температурада, 1,5 сағат аралығында су буында ұсталды.
Тесіктер қабаттарының беткі гидроксиалды топтарының, ұшатын және
гидролизденетін[11] SnCl4 мен өзараәрекеттесуі бетте жаңа қабаттың пайда
болуын туғызады.
2(Si-OH)+SnCl4→ (SiO)2 ∙ SnCl2+2HCl,
(SiO)2 ∙ SnCl2+2HCl→ (SiO)2 ∙Sn(OH) 2 +2HCl,
(SiO)2 ∙Sn(OH) 2→(SiO)2∙ SnO+H2O (T393K).
Үлгілерді соңғы кептіру, вакуумде, (0,05 Па), 420 К температурада 1
сағат аралығында жүргізілді. Жылыту, SnOx бар ұластырылған қабаттың
түзілуімен қабаттың құрғалуына алып келді.
1.3.5 Молекулалық қатпарлау әдісімен алынған, por-SiSnOx
композиты
Жарық түсіретін электронды микроскопиядағы суреттер бойынша (1,c
сурет) молекулалық қатпарлау әдісін қолдану арқылы алынған үлгілер үшін,
шекаралары айқын көрінетін, дөңгелек пішінде, үлкен өлшемді (d=200-8000ºA)
өсінділер пайда болатыны көрінеді. Өсінділер үлгінің бүкіл бетінде
орналасады және оның ауданының 30дан 50% ын жабады. Сондай-ақ, өлшемі
жүздеген және мыңдаған нанометр болатын аз мөлшердегі өсінділер де бар[12].
Электродисперсиялық талдама спектрлері, өсінділер аймағында қалайы
және оттегінің маңызды концентрациясы бақыланатынын оттегі, сондай-ақ
қалайының елеусіз мөлшері тіркелді. Осылайша, молекулалық қатпарлау кезінде
кеуек кремний бетінде қалайы оксидінің ірі кластерлерінің пайда болуы
жүретіндігі туралы айтуға болады.
1.11 cурет-Молеклалық қатпарлау әдісімен алынған por-SiSnOx
нанокомпозиты қабаттарының жарық түсіретін электронды микроскоп-бейнесі
Микродифракция мәліметтері(1.11 суретте) қалайы оксидының
поликристалды болуын растайды. Өсінділердің құрамын, пішінін және өлшемін
нанокомпозит алудың осы әдісінің ерекшеліктерімен түсіндіруге болады. Сусыз
SnCl4 ерітіндісінде кеуек кремнийді ұстағаннан кейін, келешекте бетте
қалайы оксидінің жетклікті ірі өсінділерінің түзілуіне алып келетін, бетте
микротамшылар түзіледі.
SnOx үшін х стечиометрия коэффициентін есептеу, әртүрлі
тереңдіктер үшін ол x=1,3тен бетте x=1,0 дейін,профиль соңына дейін
өзгеретіндігін көрсетті, осыдан, үлгідегі қалайы Sn еркін атомдардың аз
саны бар SnO басым болатын, стехиометриялық емес қышқылдар қоспасы түрінде
болады. Х шамасының ара қашықтықтан бетке дейін өзгеруі, тереңдіктерде
оттегі концентрациясының кейбір түсулері, SnOx құрамы және мөлшері
капиллярлық процестермен анықталатын, молекулалық қатпарлау әдісінің
ерекшеліктерімен шартталғандығын көрсетеді. Жалпы, молекулалық қатпарлау
әдісі үшін алынған мәліметтер por-SiSnOx нанокомпозитінің біртекті емес
қабаттарының қалыптасуын растайды.
Электрофизикалық зерттеулер үшін, қалыңдығы 1,5 мкм por-SiSnO2
нанокомпозитының қабаты құрылды. Вольамперлік сипаттамаларды өлшеу үшін
тестовая құрылым, нанокомпозит бетіне алюминий қатынасын 3,5 мм диаметрмен
тозаңдау жолымен жасалды. Қатты қосындыланған кремний төсенішіне, екінші
қатынас, In:Ga пастасы көмегімен жүзеге асырылды. Алынған құрылым, T=300-
570 K температурада өлшеулер жүргізу үшін қыздырғыш элементпен
жабыдқталған, герметикалық өлшеуіш камераға орналастырылды[13].
por-SiSnO2 тесттік құрылымның 300-470 К диапазонындағы өлшеулер
кезіндегі вольт-амперлік сипаттамаласы 2 суретте көрсетілген.
1.12 cурет-por-SiSnOx нанокомпозит қабаттарының негізіндегі
құрылымның вольт амперлік сипаттамалары. Нанокомпозиттың алдын ала қыздырып
өңдеуінің температурасы 680К, ВАС өлшеу температурасы 300-470К . Қойылымда-
тесттік құрылымның сызбалық суреті.
1.12 суреттен- көрініп тұрғандай, өлшеулердің барлық температуралар
үшін вольт-амперлік сипаттамалар айқын сызықтық емес сипатқа ие.
Температураның артуымен құрылымның кедергісі кемиді.
1.4 Фотоэлектрлік әдіс
Құрылымы жартылай өткізгіш – диэлектрик - жартылай өткізгіш (ЖДЖ)
болып келетін күн элементтері (КЭ) SnOx жұқа қабықшасын n типті кремнийге
химиялық пульверизация әдісі арқылы отырғызу жолымен жасалынды. Бұл
элементтердің электрофизикалық қасиеттерінің температуралық тәуелділігі екі
өткізгіштік механизмі бар екенін көрсетеді. тура жылжытудың аз кернеу
кезіндегі туннельдік әсері және екінші механизмі Еа=0,87 эВ активация
энергиясымен Дайындалған элементтер келесідей сипаттамаларға ие болды:
тұйықталыу тогы (КЗ) 36 мАсм2, Бос жүріс кернеуі (х.х). 525мВ,
вольамперлік сипаттамасының (ВАС) толтыру коэффииенті 0,74, интенсивтілігі
100 мВтсм2 болатын күннің сәулесімен жарықтандырғанда ПӘК 14%.
Құрылымы ЖДЖ болатын күн элементі жаңа элементтер типін ұсынады,
нәтижесінде жартылай өткізгішті элементтер базасы өзінің алдыңғы
электрофизикалық қасиетін сақтап қалатын жоғарғы температуралы процестер
өндірісте қолданбайды. Әдетте кең зоналы жоғарғы өткізгішті тотықты
көрсететін жартылай өткізгіштің фронталдық қабаты, термиялық, электронды
төменгі температурада базалық жартылай өткізгішке сәулелік булану, катодты
тозаңдандыру сияқты әдістер арқылы отырғызылады. Осы материалда ең көп
қолданылатын: In2O3, SnO2 және екеуінің қоспасы (ITO). Кейбір жағдайда
потенциялдық тосқауылдарды вакуумдық процестерді және термиялық күйдіруді
қолданбай қалыптастыруға болады. Бұл мүмкіндік SnOх қабықшасы химиялық
пульверизация әдісі арқылы алынған кезде және құрылымы SnO2-SiO2-n-Si
болатын КЭ жасау барысында іске асқан [14]. Бұл қабықшалар ЖДЖ құрылымын
жасауға сәйкес электрлік, оптикалық, химиялық, механикалық қасиеттерге ие
болды. Бұл қабықшалардың шығысындағы жұмысы n типті қабықшаның шығысындағы
жұмысына қарағанда жоғары, ол осы материалдардан жасалынған КЭ барьерінің
жоғары болуынан байқалды. SnOx жұқа қабықшалары 0,4-1,1 мкм спектрлік
диапазонында оптикалық мөлдір, сонымен қатар энергияның фотоэлектрлік
түрлендіру аймағында пайдалы. Бұл қабықшалардың сыну көрсеткіші ~1,9
кремний бетінің жарықтандыру шарттарын орындауға мүмкіндік береді . SnOx
қабықшалары химиялық тұрғыдан бірқалыпты және көптеген қышқылдардың әсеріне
қарсы тра алады яғни КҮ қоршаған ортаның әсерлерінен сақтауға пайдалы болып
келеді. Химиялық пульвернизация әдісімен алынған SnOx қабықшаларында сутек
және хлор иондары болуы КҮ артықшылығы болып табылады. Белгілі болғандай
сутек пен хлор иондары SiO2-Si құрылымындағы SiO2- де бар оң зарядты
компенсациялайды. Бұл эффект құрылымы ЖДЖ немесе металл диэлектрик жартылай
өткізгіш болатын КЭ n типті кремнийді қолданғанда үлкен мәнге ие, өйткені
кремнийдің тотығында болатын оң иондар, ол n типті кремнийдің бетінде
жартылай өткізгіштің тотығында немесе металл қабатына жағылғанда алынатын
тосқауылдың биіктігін төмендетеді.
Соңғы уақытта ЖДЖ құрылымын сипаттайтын көптеген үлгілері ұсынылған.
Бұл құрылымдардың айырмашылығы оларда әлі де оның ролі түсініксіз болса да,
изоляциялдыайтын қабаттың болуы болып табылады.
(1)
(1) теңдеуі ЖДЖ құрылымды құрылғының ВАС-сын қөрсетеді және оның
талдауына негіз болады.Бұл теңдеу n- типті жартылай өткізгішті база үшін
шынайы. Онда пайдаланылып отқан қарапайым мағынаға ие параметрлері SnOx
-SiO2-Si құрылымының қараңғыда (түзу сызықпен) және жарықта (үзік
сызықпен) энергетикалық зоналық диаграммасы бейнеленген 1суретте
көрсетілген.
Бұл теңдеуді алу барысында мынадай болжам қолданылды, элементке
берілген кернеудің Va түсуі жартылай өткізгішті базаның кеңістіктік заряд
Vs аймағында және диэлектриктік аймағында Vs да болуы мүмкін:
Va=Vs+Vi (2)
Тосқауылдың биіктігі ϕВ үш материалға және екі бөлетін жазықтыққа
тәуелді. (1) теңдеуіндегі бірінші мүшесі туннельдік эфеккті және тосқауыл
биіктігінің өсуін ескере отырып жартылай өткізгіштің окисладан өткігіштік
зонасына өтетін, яғни диэлектриктік қабатта Vi кернеуінің түсуімен
шақырылған электронды токты сипаттайды. Ал екінші мүшесі Va енгізілген
кернеуінен айырмашылығы бар Vs кеңістіктік аймағында кернеудің түсуі мен
туннелденуін ескеретін жартылай өткізгіштің өткізгіштік зонасынан қарама-
қарсы зонаға бағытталған электрондар ағынын сипаттайды. Үшінші мүшесі
негізгі емес ток тасымалдаушылардың белгілі компонентін анықтайды, сонымен
қатар болжамда туннельдеуді ескере отырып, өткізгіштік тотығында
қабатындағы Ферми квазидеңгейі негізгі емес тасымалдаушылардың кеңісіктік
зряд аймағының шетіндегі негізгі емес ток тасымалдаушылардың белгілі
ткомпонентін анықтайды.Бұл концентрациясы Vs-тен емес Va-дан тәуелді және
фототокты көрсетеді. жұмыста көрсетілген модельденегізгі емес ток
тасымалдаушыларының тасымалы қараңғыда жүрмейтіні болжанады және диэлектрик
қабатында кернеудің түсуі аз болады. Бұл жағдайда(1) теңдеуіндегі үшінші
мүше нөлге тең және х.х. кернеуі келесідей өрнекпен анықталады
жұмыста құрылғылардың сипаттамасы негізгі емес тасымалдаушылар
арқылы анықталатын үлгі көрсетілген. Туннельдеу ықтималдылығы
бірлігіне және Vi тең деп қабылданды. Бұл болжамдарда (1) теңдеуінен
х.х. кернеуі мынаған тең:
жұмыста көрсетілген молельде құрығының спаттамасы екі механизм
арқылы анықталатыны туралы болжам жасалынды: смещение кернеуінен тәуелді
әйтеуір біреуі орын басып қалатын, n1, n2 және мәндерінен тәуелді
негізгі емес тоқ тасымалдаушылардың диффузиясы және термоэлектронды
эмиссия. Бұл параметрлердің типтік эксприменттік мәні n1≤2,5, n2≈1 ;
осындай, КЭ ВАС жұмыс нүктесі негізгі емес тасымалдаушылар арқылы
анықталады[15]. Бұл жағдайда х.х. кернеуі жазылады. жұмысында ,
бірақта диэлектриктік қабатта кернеудің түсуі Vi ≠0 тең болады. Бұл модель
егер базалық жартылай өткізгіште Ферми деңгейі кеңістіктік зарядтар күйіне
әсер етсе онда база мен өткізгіш тотығы арасында токты азайтатын, өрісті
тартатын әсерлер пайда болатын етіп орнатады. Бұл жағдайда х.х. кернеуі VD
диффузиялық потенциялға қарағанда көп алынуы мүмкін. Бұл әсердің шамасын
былай алуға болады: , мұндағы 1≤2,3 мәнінің барлық мүмкін
мәндерінде.
ЖДЖ құрылымды КЭ ориентациясы (100) болатын n типті монокристаллды
кремнийден жасалынған және меншікті кедергісі 5,5 Ом*см ге тең. Кесу және
механикалық тегістеу кезінде бетінде пайда болған тозаңдарды тазалау үшін
деиондалған суларда жуылды. Осыдан кейін тез арада кремнийдің бетіне
қышқылдаандыру арқылы температурада 30 минутта диэлектрикті
өндіреді. Өндірілген қабаттың қалыңдығы элипсометрлік әдіс арқылы
өлшенгенде 1,8 нм болды. Бұның артынан химиялық пуьвернизация әдісімен
қалыңдығы 75 нм болатын SnOx қабаты отырғызылады. Бұл тосқауылдың
қалыптасуын тоқтатты. КЭ жасаудың соңғы кезеңі Ti-Ag контактісін вакуумдық
буландыру әдісімен жасау болып табылады. SnOx бетіне контактіні
тиімділенбеген маска әдісі арқылы орнатылды. КЭ ауданы 12 cм2 құрады.
Процедураның сипаттамасыы көптеген рет жүргізілді, нәтижелердің қолданылуы
жақсы болды.
1.13 сурет- температурасы 297 К тең SnOх-SiO2-n-Si құрылымды КЭ
тура қараңғы ВАС-сы бейнеленген, мұндағы 1тура сызығы n1=3,48 және
қаныққан ток тығыздығы J01=1,5*10-4 Асм2, 2 сызығы- n1=2,86 және
J01=2,5*10-6 Асм2, 3 сызығы- n2=1,05 және J02=6,5*10-11 Асм2 (lnJ
тәуелділігімен[Aсм2] тен V[мВ] дейін). Қараңғы ВАС-ты талдай отырып диодты
токтың тығыздығын мыадай қылып елестетуге болады:
мұндағы J01=10-7-10-4 Асм2 , n12,9; J02=10-11 Асм2, n2=1,0-
1,1.
297 К және 82 К температурада өлшенген КЭ қараңғы ВАС салыстыру,
төменгі смещения кернеуінде олар бірдей иілуге ие болады, бұл туннельдік
механизмде ток ағыны болатынын куәлендіреді. Температурасы 82 К-ді құрайтын
кернеуі жоғары аймақта n2 шамасы температураға тәуелсіз болғанда,
термоэмиссионды ток болуы мүмкін, сол мезетте 297 К болғанда токтың қанығуы
айтылды.
Соңғы жылдары SnO2n-si гетеро ауысуымен жасалған жоғарғы эфективті
күн элементтері зерттеліп келеді. Гетероауысумен жасалған SnO2n-si қабаты
әртурлі әдістерімен алынуы мүмкін.
Күн элементінің аз ауданында жасалған үлгінің ПӘК (пайдалы әсер
коэффициенті) 10%-тен жоғары нәтижеге жеткен. Бұл қабаттар келесі
әдістермен жасалған; электрондық сәулелі буландыру жолы, ертіндіні
шаңдандыру мен гидролиз тәсілі және буландыру әдісімен химиялық отырғызылу
жолымен іске асырылды. Бұл әдістердің ерекше қызықтыратыны арзан күн
элементін SnO2n – гетероқұрылымымен алынуы.Бұған пульверизация үдерісін
қолдану арқылы қол жеткізуге болады.айталық ауданы бірнеше квадырат
сантиметір күн элементінің ПӘК 14%-тен жоғары болады.бірақта мұндай күн
элементтерінің өндірісте кең қолдану мүмкіндігі болмай отыр. Яағни оның көп
уақытты тұрақтылығын қамтамасыз ету керек.
Күн элементтерін қалыптастыру кезінде ертінділердің пулверизациялау
үдерісімен жасалған үлгілердің оптимизация олар металдық контактілік
торларының параметрлерін жане SnO2 жарық өткізгіштік улпысының оптикалық
параметрлерін реттеу арқылы күн элементінің жоғарғы эфективті үлгісін алу
мақсатында күн элементінің ауданы 20см2 үлгісі жасалды.
Герметизациялық қабаттарын қамтамасыз ететін тұрақты жасалған күн
элементінің қасиеттері зерттелді.
Барлық күн элементтері Sncl4 ертіндісімен пулверизациялауарқылы
химиялық өңделген n-типті кремний төсеніш бетіне орнатылды монокристалдық
кремний төсенішінің меншікті кедергісі 0,1_0,5Ом2.см болады.
Металдық контактілер электродық сәулелі буландыру тәсілімен жоғарғы
уакумде орнатылды.Күн елементінің алдыңғы бетіне маска арқылы кантакті
торлары отырғызылды.олар тізбектеліп отырғызылған титан және күміс
қабаттары және қалыңдықтары 50 нм ден 2мкм ге сәйкес келді.
Төменгі қабатқа отырғызылған тұтас метал контактінің қалыңдығы 50нм
және 1мкм болады.
SnO2 үлпісі(қабыршағы) қыздырылған кремний төсенішінің бетіне
пульверизация әдісімен орнатылды. Дайндалған ертіндінің құрамында Sncl4
ертіндісі этилацетат этано және сулар. Жоғарғы сапалы SnO2 улпісының 500Cº
температурада қыздыру арқылы қамтамасыз етеді.
Күн элементі ауданы 1см2 ауданы бар. Төсенішінде жасалынды. Оның беті
винилацетат полимермен герметизацияланды(қапталынды).
Күн элементінің үлгісінің Вольт-әмперлік сипаттамасы L252
қондырғысымен өлшенді. Күн сәулесінің имитаторы ретінде жобамен 100Mвтсм2
жарық қуаты бар жарық көзімен қамтамасыз етілді. Үлгісінің сыну көрсеткіші
қалыңдығы эллипсометриялық әдіспен 632,8нм толқын ұзындығында анықталды.
SnO2 ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz