16246

16246

طراحي، شبيه‏سازي، ساخت و بهينه‏سازي مشخصه‏هاي الكتريكي و اپتيكي آشكارسازهاي مدرن ماوراءبنفش مبتني بر نانوساختارهاي ZnO

دكتري

الكترونيك

اسفند ماه 1394

دكترشهرام محمدنژاد

دكتر حسن يوسفي

برق

چكيده در سال هاي اخير، بسياري از تحقيقات بر روي آشكارسازهاي نوري ماوراء بنفش با كارايي بالا متمركز شده است. كاربردهاي اين ادوات در زمينه‏هاي نظامي و غيرنظامي كاملا مشهود است. از ميان نيمه‏هادي‏هاي مورد استفاده، ZnO، با داشتن شكاف باند مستقيم و بزرگ، داراي مزيت‏هاي ويژه‏اي در زمينه الكترونيك نوري و به‏ويژه در زمينه آشكارسازي نور ماوراء بنفش است. با توجه به اهميت اين موضوع، طراحي و ساخت اين نوع آشكارسازها امري ضروري است. در اين پروژه، به منظور ارتقاي عملكرد آشكارساز، به‏جاي استفاده از ماده حجيم ZnO، از نانوساختارهاي ZnO كه به¬دليل افزايش نسبت سطح به حجم خواص الكتريكي و اپتيكي بهتري دارند، استفاده مي‏شود. در اين كار، با هدف بهبود مشخصه‏هاي الكتريكي و اپتيكي، ساختارهاي MSM مبتني بر نانوساختارهاي ZnO موردمطالعه، تحليل و شبيه‏سازي قرار گرفته است. همچنين،عوامل موثر بر پارامترهاي نوري و الكتريكي آنها مورد بررسي قرار گرفتند و طراحي اوليه به منظور دستيابي به پارامترهاي ساخت صورت گرفت. سپس با استفاده از پارامترهاي بدست آمده و روش هيدروترمال، نانوميله‏هاي ZnO سنتز شده و اثر PH، محلول‏هاي دانه‏گذاري اسيدي، بازي و الكلي و دماي رشد بررسي گرديده و الكترود مناسبي نيز براي ساخت آشكارساز انتخاب شد. آشكارسازهاي ساخته، در حالت معمولي پاسخ¬دهي بيشينه A/W 02581/0 را در باياس V1 نشان دادند. اعمال تغييرات بر روي آنها منجر به افزايش پاسخ¬دهي و در عين حال افزايش ميزان جريان تاريكي و نويز مي گردد. بازپخت گرمايي باعث افزايش پاسخ¬دهي تا بيشينه A/W 12/0 در باياس V2 مي شود. درواقع، بازپخت گرمايي منجر به بازسازي شبكه كريستالي و حذف بعضي نقص‏هاي شكل گرفته در حين رشد مي‏گردد. در ادامه كار، سعي شد كه با استفاده از لايه‏نشاني مواد با شكاف باند وسيع بر روي نانوميله‏هاي ZnO، ميزان جذب نور ماوراء بنفش را افزايش داده و مشخصه هاي آشكارساز را بهبود بخشيد. نتايج اين پايان نامه نشان مي دهد كه حضور نانوذراتي از مواد با شكاف باند وسيع بر روي نانوميله هاي ZnO منجر به افزايش جريان نوري مي گردد ولي جريان تاريكي افزايش مي يابد، به همين دليل در اين نوع ساختارها، نسبت جريان نوري به تاريكي اهميت پيدا مي كند. در اين راستا، نانوذرات CdS بر روي نانوميله هاي ZnO رشد داده شد و نسبت جريان نوري به تاريكي 4 بدست آمد. در ادامه كار نيز تلاش شد كه با استفاده از اثر پلاسمون هاي سطحي نانوذرات نقره و نيز رسانايي بالاي گرافن، مشخصات الكتريكي آشكارسازهاي ساخته شده بهبود داده شود. نتايج بدست آمده نشان مي دهند كه پلاسمون هاي سطحي ناشي از نانوذرات نقره نسبت جريان نوري به تاريكي را به مقدار زيادي بهبود مي بخشند بطوريكه نسبت جريان نوري به تاريكي قبل و بعد از حضور نانوذرات نقره 50 و 250 اندازه گيري شد. نشاندن لايه گرافن بر روي نانوميله ها منجر به افزايش نسبت جريان نوري به تاريكي تا 6 برابر مي گردد. در اين حالت، جريان تاريكي بدست آمده در مرتبه ميكروآمپر است كه شايد به دليل عدم يكنواختي لايه گرافن رشد يافته با اسپين كوتر و نقص هاي موجود در ساختار باشد. بهينه سازي و بكارگيري همزمان اين روش ها، راهي است كه به نظر آينده اين نوع آشكارسازها و بطور كلي ادوات مبتني بر نانوالكترونيك را مشخص مي نمايد. واژه‌هاي كليدي: آشكارسازهاي ماوراء بنفش، نانوميله هاي ZnO، سنتز هيدروترمال

1395/10/20

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: In the recent years, many researchers have been focused on Ultraviolet (UV) photodetectors (PDs) with high efficiency. Application of these devices in military an​d nonmilitary fields is well known. Because of importance of this subject, design an​d fabrication of these PDs is necessary. Amoung different PDs, ZnO have direct large bandgap that is sepecial advantages in the field of optical electronic an​d UV PDs. In order to optimize of PD performance, instead of bulk material, ZnO nanostructures have been used that because of enhanced surface to volume, have better optical an​d electrical properties. By using hydrothermal method, ZnO nanorods (NRs) were synthesized an​d effects of different seed layers (acidic, alkali, alkolic) an​d temperature growth have been investigated. Also, the selection of suitable electrode is important. In this thesis, for optimization of electrical an​d optical properties, effects of thermal annealing in different environments in particular oxygen plasma have been investigated. By thermal annealing, crystal lattice structure is reconstructed an​d defects of during growth remove. In addition, large bandgap material deposition on the surface of ZnO NRs results in enhanced UV absorption, therefore, PD characterizations has been improved. Also, surface Plasmon enhanced effects of silver nanoparticles an​d high conductivity of graphen thin films have been used to get better electrical characterization. Keywords: Ultraviolet photodetectors, ZnO nanorods, Hydrothermal synthesis.