رشد لایه نازک نانوکریستالی سرب سولفید به روش حمام شیمیایی و مطالعه ی اثر فتورسانایی آن برای کاربردهای اپتوالکترونیک

آشکارسازهای زیرقرمز "چشم میدان جنگ دیجیتال" نامیده شده اند. کاربرد های نظامی این دستگاه ها در کشور های غربی موجب پیشگام شدن و غلبه ی نیازمندی ها در این زمینه نسبت به‎سایر زمینه ها شده است. علاوه بر کاربردهای بسیار این سیستم‎ها در فعالیت های نظامی از جمله کشف هدف، جست و جو و به دام اندازی، رادار تجسس هدف و هدایت‎گر موشکی، پتانسیل بزرگی برای استفاده از این سیستم ها در بازارهای تجاری وجود دارد. سیستم های زیرقرمز در افزایش ایمنی هواپیماها و اتومبیل ها، تشخیص های پزشکی، کیفت ساخت و کنترل نقش بسیار مهمی را ایفا می کنند. صنعت جهانی به‎سمت گسترش بازار تجاری این سیستم ها حرکت می کند.آشکارسازهای زیرقرمز مبدل‎های انرژی تابشی هستند که توانایی شناسایی تابش های زیرقرمز منعکس شده از سطح اجسام و تبدیل آن ها به تصویر را دارند. بنابراین این دستگاه ها امکان دید در تاریکی و یا در شرایطی که توان بینایی از طریق نور مرئی ناچیز است، مثل شرایط گرد و غبار و مه را فراهم کردند. انرژی آشکارسازی شده توسط این وسیله‎ها به تصویری تبدیل می‎شود که تفاوت های انرژی بین اشیاء را نشان می دهد.سرب سولفید یکی از مهم ترین ترکیبات نیمه رسانای گروه ?-? است که به دلیل شکاف نوار باریک و مستقیم ev 4/0 به طور گسترده به‎عنوان حسگرهای زیرقرمز استفاده می شوند. پژوهش های متمرکز و فشرده بر روی استفاده از نمک های سرب جهت آشکارسازی تابش زیر قرمز در یک دوره ی زمانی ده ساله اتفاق افتاد که در حوالی جنگ جهانی اول پایان یافت. تلاش های محققین در این سال ها بیشتر بر روی مطالعات رفتار ماده متمرکز شده بود تا اینکه به حساسیت دستگاه های سازنده توجه شود.این مسئله به‎زودی آشکار شد که سرب سولفید نسبت به سایر سل های سولفیدی بررسی شده تاکنون، پتانسیل بالاتری را نشان می دهد. در دسامبر سال 1944، کشمن توانست فیلم های سرب سولفید را به‎روش های لایه‎نشانی شیمیایی گسترش دهد.با توسعه ی سل های سرب سولفید برای موشک داو، اولین کاربرد برای یک موشک هدایت شونده با موفقیت به پایان رسید. فتورساناهای سرب سولفید به‎صورت یک فیلم نازک پلی کریستالی به ضخامت تقریباً 1 میکرومتر و قطر کریستالیت های در محدوده ی 1/0 تا 0/1 میکرومتر است. این فیلم ها معمولاً به روش های لایه‎نشانی شیمیایی که عموماً به یکنواختی بهتری در پاسخ آشکارساز و نتایج پایدارتری نسبت به روش های تبخیری دست می یابند، تهیه می شوند.با تابش فوتون های زیرقرمز به سطح ماده، در صورتی که انرژی فوتون ورودی حداقل به‎اندازه ی شکاف نوار نیمه رسانا باشد، الکترون های لایه ی ظرفیت می توانند انرژی لازم برای انتقال الکترون در عرض شکاف نوار به‎سمت نوار هدایت را کسب کنند.بدین ترتیب با تأمین انرژی برانگیختگی، حامل های آزاد یعنی الکترون و حفره تولید شده و باعث افزایش رسانایی ماده ی فتورسانا در یک میدان الکتریکی ثابت می شود. بنابراین در بایاس ثابت اعمال شده، جریان حاصل از انتقال حامل های بار (جریان فتورسانایی)، در نیمه‎رسانا تولید می شود که با غلظت الکترون برانگیخته و درنتیجه با شار فوتون ورودی متناسب است. برای تهیه ی لایه نازک سرب سولفید، لایه نشانی به روش حمام شیمیایی (cbd) به‎دلیل سادگی و اقتصادی بودن از دیرباز مورد توجه قرار گرفته است. به‎دلیل اینکه نیاز به دستگاهوری پیچیده مثل سیستم خلأ و تجهیزات گران‎قیمت دیگر ندارد. هم‎چنین قابلیت لایه نشانی بر روی سطوح بزرگ و سهولت صنعتی شدن، از دیگر مزایای این روش هستند.ماده‎ی موردنظر به‎صورت یکنواخت بر روی آن می‎نشیند در این روش واکنش بین پیش ماده های فلزی و سولفیدی در یک محلول آبی در دمای پایین (80-30 درجه سانتیگراد) رخ می دهد که با قرار دادن زیرلایه در محلول ماده‎ی موردنظر به‎صورت یکنواخت بر روی آن می‎نشیند. هدف در این پژوهش پیدا کردن یک روش مناسب برای تهیه ی فیلم های نازک سرب سولفید است به طوری که علاوه بر کیفیت ساختاری خوب مانند چسبندگی به سطح و یکنواختی، دارای فتورسانایی بالایی باشند تا بتوان از آنها به عنوان آشکارساز در صنایع اپتوالکتریک استفاده کرد. برای تهیه ی لایه ی pbs، باید غلظت یون های سولفید و یون های فلزی سرب طوری کنترل شده باشد که لایه ای خوب ایجاد شود. از تیواوره به عنوان منبع سولفید و از سرب نیترات و سرب استات به عنوان منبع فلزی استفاده شده است.کاتیون فلزی نیز معمولاً به‎وسیله‎ی یک عامل کمپلکس دهنده پایدار می‎شود تا کاتیون آزاد در محیط لایه نشانی، کمتر حضور داشته باشد.معمولاً cbd در محیط قلیایی انجام می شود که در این پژوهش از سود و هیدرازین در غلظت های مختلف استفاده شد. چون آزادسازی سولفید از پیش ماده ی آن به آنیون هیدروکسید نیاز دارد. لایه نشانی در دماهای مختلف و در حضور عوامل کمپلکس دهنده ی متفاوت در محیط لایه نشانی انجام شد. در دمای محیط لایه های نازک اثر فتورسانایی نشان ندادند. با اعمال دما به حمام شیمیایی، لایه های نازک نور را تا 36% جذب کردند با این حال جسبندگی بسیار ضعیفی به سطح زیرلایه داشتند. زمانی که دمای حمام سیمیایی به صورت متغیر افزایش دما یافت و از هیدرازین استغاده شد چسبندگی فیلم به زیرلایه خوب و حساسیت نوری 26%-10% به دست آمد. حساسیت نوری 47% زمانی به دست آمد که لایه نشانی در حمام شیمیایی تحت تابش مایکروویو انحام شد که غلظت سرب استات و تیواوره در حمام شیمیایی 0.09 مولار و مقدار هیدرازین 10 میلی لیتر در حجم کل 150 میلی لیتر است. به‎وسیله‎ی عملیات حرارتی بر روی فیلم‎ها در هوا و در دمای 65-130 درجه سلسیوس، اثر پخت بر مقاومت الکتریکی تاریک و حساسیت نوری لایه‎های نازک مطالعه شد که این پارامترها با عملیات حرارتی افزایش یافت.هم چنین با غوطه‎وری فیلم لایه‎نشانی شده در محلول هیدروژن پروکسید برای یک بازه‎ی زمانی معین، افزایشی در پارامترهای الکتریکی رخ داد.