بررسی اثر غلظت وانادیوم بر خواص اپتیکی و الکتریکی لایه نازک نانو ساختار دی اکسید تیتانیوم تهیه شده به روش سل – ژل

الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مهلا اصغری نژاد ¹ (دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان، مجتمع دانشگاهی علوم کاربردی)
اکبر اسحاقی ² (دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان، دانشکده مهندسی مواد)
علی عرب ³ (دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان، مجتمع دانشگاهی علوم کاربردی)

تاريخ الإرسال : 22 الأحد , جمادى الأولى, 1438 تاريخ التأكيد : 13 الخميس , جمادى الثانية, 1439 تاريخ الإصدار : 04 الثلاثاء , جمادى الثانية, 1439

الکلمات المفتاحية: لایه نازک, مقاومت الکتریکی, دی اکسید تیتانیوم, وانادیوم, خواص اپتیکی,

ملخص المقالة :

در این پژوهش، لایه نازک دی اکسید تیتانیوم آلاییده شده با وانادیوم با غلظت­های مختلف ( 5/1،0 و 5 درصد وزنی) به روش سل-ژل بر روی زیرلایه­های شیشه­ای رسوب داده شد. خواص ساختاری، آنالیز عنصری، الکتریکی، اپتیکی و زبری سطح لایه­های نازک به ترتیب توسط روش­های XRD، DES، LCR meter، طیف سنجی UV-Vis  و AFM مورد مطالعه قرار گرفت.  نتایج الگوی XRD نشان داد که لایه­های نازک دارای ساختار پلی کریستالی تتراگونال و تک فاز آناتاز است. همچنین مشاهده می­شود، با افزایش غلظت وانادیوم  اندازه بلورینگی دی اکسید تیتانیم کاهش می­یابد؛ به­گونه­ای که اندازه متوسط بلورک­ها از 17 نانومتر برای دی اکسید تیتانیم خالص به حدود 7 نانومتر در حالت آلائیده شده (1 درصد وزنی) کاهش یافته است. به­علاوه، هیچ فازی مربوط به اکسید وانادیم به علت جایگزینی وانادیم در موقعیت تیتانیم در ساختار دی اکسید تیتانیم تشکیل نشده است. همچنین تصویر FE-SEM از سطح مقطع لایه نازک دی اکسید تیتانیم الائیده شده نشان می­دهد که ضخامت لایه حدود 536 نانومتر بوده و دانه­ها به­صورت پیوسته روی یکدیگر رشد کرده و ساختار پلی کریستالی را تشکیل داده­اند. رافنس لایه­های نازک دی اکسید تیتانیم خالص و آلائیده شده با وانادیوم حدود 14/3 نانومتر و 87/0 نانومتر اندازه گیری شد. مقاومت الکتریکی لایه­های نازک TiO₂ و آلاییده شده با 5/0، 1 و5  درصد وزنی به ترتیب مقادیر                    Ω cm 10⁷×7/16 ، Ω cm 10⁷×7/7 ، Ω cm 10⁷×7/1  و Ω cm 10⁷×8/12 به­دست آمد. علت افزایش مقاومت در 5 درصد، کاهش موبیلیته با افزایش غلظت حامل­ها است. مقدار انرژی شکاف نوار با اضافه کردن وانادیم به دی اکسید تیتانیوم از eV 71/3 به eV 44/3 کاهش یافته و در نتیجه لبه جذب به طرف طول موج­های بلندتر جابجا شد.

المصادر:

[1]. C. Mrabet, A. Boukhachem, M. Amlouk, T. Manoubi, Improvement of the optoelectronic properties of tin oxide transparent conductive thin films through lanthanum doping, Journal of Alloys and Compounds 666 (2016) 392-405.           

[2]. A.Arunachalam, S.Dhanapandian, C.Manoharan, Effect of Sn doping on the structural,optical and electrical properties of TiO2 films prepared by spray pyrolysis, Physica E 76(2016)35–46.    
 

[3]. J. Keller, L. Stolt, M. Edoff, T. Torndahl, Atomic layer deposition of In2O3 transparent conductive oxide layers for application in Cu(In,Ga)Se2 solar cells with different buffer layers, Physics. Status Solidi A, (2016) 1–12.    

[4]. A.kbar Eshaghi , M.ohammad Javad Hakimi , A.bbas Zali, Fabrication of titanium zinc oxide (TZO) sol–gel derived nanostructured thin film and investigation of its optical and electrical properties, Optik 126 (2015) 5610–5613.

[5]. Shankar Dutta, Leeladhar, A.khilesh Pandey, O.m P.rakash Thakur, and R.amjay Pal, [N1] Electrical properties of ultrathin titanium dioxide films on silicon, Journal of Vacuum Science & Technology A 33, 021507 (2015) 021507-4.       
 [N2] 

[6]. آ. اسحاقی ، س. حائری پور، تخریب فتوکاتالیستی رنگ راکتیو قرمز 198 توسط نانوکامپوزیت دی اکسید تیتانیم-کربن فعال، مجله مواد نوین ، جلد 7، شماره 2، 1395،صفحه 48-35.    

[7] J. Sene, W. A. Zeltner, M. A. Anderson, Fundamental Photoelectrocatalytic and Electrophoretic Mobility Studies of TiO2 and V-Doped TiO2 Thin-Film Electrode Materials, J. Phys. Chem. B, 107 (2003) 1597–1603.

[8] K. Sieradzka, D. Kaczmarek, J. Morgiel, J. Domaradzki, E. Prociow , B. Adamiak, Structural properties of transparent Ti-V oxide semiconductor thin films, Cent. Eur. J. Phys. 11(2) 251-257(2013).                                   

[9]. M. Mokhtarimehr, M. Pakshir, A. Eshaghi, M. H. Shariat, Super-hydrophilic property of vanadium doped TiO2–SiO2 sol–gel derived thin film, Thin Solid Films 532 (2013) 123–126.        

 [10]. S.S. Lin, Optical properties of TiO2 nanoceramic films as a function of N–Al co-doping, Ceramics International 35 (2009) 2693–2698.

[11]. C.Y. Tsay, H.C.Cheng, Y.T. Tung, W.H. Tuanand, C.K. Lin, Effect of Sn-doped on microstructural and optical properties of ZnO thin films deposited by sol-gel method, thin solid films 517 (2008) 1032-1036.

[12]. A.Davoodi, M.Tajally, O.Mirzaee, A.Eshaghi, Fabrication and characterization of optical and electrical properties of Al–Ti co-doped ZnO nano-structured thin film, Journal of Alloys and Compounds, 657 (2016) 296-301.

[13]. J.H. Lee, K.H. Ko and B.O. Park, Electrical and optical properties of ZnO transparent conducting films by the sol-gel method, journal of crystal growth 247 (2003) 119-125.

 [14]. Akbar Eshaghi , Alireza Graeli, Optical and electrical properties of indium tin oxide (ITO)nanostructured thin films deposited on polycarbonate substrates“thickness effect”, Optik 125 (2014) 1478– 1481. 

[15]. A. Eshaghi, M. Hajkarimi, Optical and electrical properties of aluminum zinc oxide (AZO) nanostructured thin film deposited on polycarbonate substrate, Optik-International Journal for Light and Electron Optics, 125 (2014) 5746-5749.                                                                                                  

[16]. A. Davoodi, M. Tajally , O. Mirzaee , A. Eshaghi, The effects of Ti concentration on the structure, optical, and electrical properties of Al and Ti co-doped ZnO thin films, optic optik, 127 (2016) 6445-6449.[N3] 

[17]. A.I. Ali, C.H. Kim, J.H. Cho, B.G. Kim, Growth and characterization of ZnO:Al thinfilm using RF sputtering for transparent conducting oxide, Journal of Korean Physics, 49 (2006) S652–S656.
                                                                 

[18]. K. Schellens, B. Capon, C,D. Dobbelaere, C.Detavernier, A. Hardy and M.K. Van beal, Solution derived ZnO:Al films with low resistivity, Thin solid films 524 (2012) 81-85.

[19]. K. Schellens, B. Capon, C,D. Dobbelaere, C.Detavernier, A. Hardy and M.K. Van beal, Solution derived ZnO:Al films with low resistivity, Thin solid films 524 (2012) 81-85.