Παραγωγη Και Χαρακτηρισμος Ημιαγωγιμων Υμενιων Σεληνιουχου Καδμιου Για Ηλεκτρικες Εφαρμογες

Abstract

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων σεληνιούχου καδμίου (CdSe) σε επιφάνεια τιτανίου (Ti) μέσω διαδικασίας ηλεκτρόλυσης.Για τη διεκπεραίωση της εργασίας έγινε χρήση του εξοπλισμού των παρακάτω εργαστηρίων (κατά τη σειρά διεξαγωγής των πειραμάτων) με την συνεχή βοήθεια των εντεταλμένων υπευθύνων και των βοηθών τους:- Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας της Σχολής των Μεταλλειολόγων Μηχανικών- Εργαστήριο Φυσικοχημείας της Σχολής των Χημικών Μηχανικών- Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Υλικών του τομέα Συστημάτων Μετάδοσης Πληροφορίας και Τεχνολογίας Υλικών της Σχολής των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Κατασκευάστηκαν 18 δοκίμια στα οποία έγινε εναπόθεση σεληνιούχου καδμίου. Το πειραματικό μέρος αποτελούνταν από τρία βασικά στάδια: - Στάδιο προετοιμασίας των δοκιμίων (λείανση επιφάνειας εναπό-θεσης)- Στάδιο ηλεκτρόλυσης- Στάδιο μετρήσεων (I-V, XRD, ΣΕΜ)Κατά το στάδιο της προετοιμασίας πραγματοποιήθηκε λείανση σε λειαντήρα με καρτέλες 400, 800, 1200 Gritt (κόκκοι Silicon Carbide/in2) και εν συ-νεχεία στίλβωση με πλάκες 1μm και 6 μm.Κατά το στάδιο της ηλεκτρόλυσης χρησιμοποιήθηκε λουτρό που πε-ριείχε θειϊκό κάδμιο και οξείδια του σεληνίου με pH=2,2 σε εύρος θερμοκρασιών από 80 έως 100 οC με επικρατέστερη αυτή των 85 οC. Τα υμένια παρασκευάστηκαν υπό συνθήκες συνεχούς τάσης σε διάφορες τιμές.Στο στάδιο των μετρήσεων έγινε χαρακτηρισμός της εναπόθεσης με χρήση περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD), οπτικού και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Για τον ηλεκτρικό προσδιορισμό ακολούθησε λήψη I-V κυματομορφών (-1 ως +1V) ό-που τα δοκίμια προσαρμόστηκαν σε ορειχάλκινη βάση ώστε να έρχονται σε σημειακή επαφή με ηλεκτρόδιο χρυσού (Au) (σε δύο από αυτά δημιουργήθηκαν επιφανεια-κά περιοχές λεπτού στρώματος χρυσού με τη μέθοδο της εξάχνωσης) και η διάταξη τοποθετήθηκε σε κλωβό Faraday. Η δομή της παρούσας εργασίας έχει ως βασικούς πυλώνες το θεωρη-τικό και το πρακτικό της μέρος.Στο θεωρητικό μέρος σκοπός είναι η κατανόηση των βασικών αρχών της φυσικής των ημιαγωγών με ιδιαίτερη έμφαση στις φωτοηλεκτροχημικές τους ιδιότητες και των επαφών μετάλλου-ημιαγωγού (δίοδοι Schottky) και η προετοιμασία για το πρακτικό μέρος με την εξοικείωση με βασικές έννοιες απαραίτητες για την ομαλή και αποτελεσματική διεξαγωγή του.Στο πρακτικό μέρος του πειράματος, τα δοκίμια προσαρμόστηκαν σε ορειχάλκινη βάση ώστε να έρχονται σε σημειακή επαφή με ηλεκτρόδιο χρυσού (Au) ή αλουμινίου (Al) και η διάταξη τοποθετήθηκε σε κλωβό Faraday. Ο ηλεκτρικός χα-ρακτηρισμός τους πραγματοποιήθηκε με μετρήσεις έντασης-ρεύματος συναρτήσει επιβαλλόμενης τάσης (-1 ως +1V) σε διάφορα επίπεδα φωτεινότητας και εξήχθησαν οι αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις. Με βάση τα αποτελέσματα τα δοκίμια ομαδοποιήθηκαν στις εξής κατηγορίες: ωμικές επαφές, ανορθωτικές επαφές Au-CdSe, α-νορθωτικές επαφές Ti-CdSe, ενώ διαπιστώθηκαν και ανορθωτικές επαφές Al-CdSe. Συγκεκριμένα, το δοκίμιο Νο 5 παρουσίασε ανόρθωση Au-CdSe με probe χρυσού ενώ με probe αλουμινίου παρουσίασε ανορθωτική Ti-CdSe συμπεριφορά. Ακόμα διαφορετικού είδους συμπεριφορά διαπιστώθηκε και στα δοκίμια Νο 2 και Νο 12.Το θεωρητικό μέρος της εργασίας αποσκοπεί στην κατανόηση των βασικών αρχών της φυσικής των ημιαγωγών με ιδιαίτερη έμφαση στις φωτοηλεκτροχημικές τους ιδιότητες και των επαφών μετάλλου-ημιαγωγού (δίοδοι Schottky). Αντίστοιχα, στο πειραματικό μέρος αναλύονται τα συστήματα που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των αποθεμάτων και τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των δοκι-μίων.Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων, παρατηρήθηκε ότι για χαμηλές τιμές ρεύματος, της τάξης των 3 - 4 mΑ σε συνδυασμό με υψηλή θερμοκρασία της τάξης των 95 - 100oC τα δοκίμια παρουσιάζουν χαμηλής ποιότητας ανορθωτική συ-μπεριφορά. Χαρακτηριστικά παραδείγματα της περίπτωσης αυτής είναι το δοκίμιο Νο 15, που είχε τιμή ρεύματος της τάξης των 3mA και η πολύ υψηλή θερμοκρασία με αποτέλεσμα τη δημιουργία μέτριας ανορθωτικής επαφής, και το δοκίμιο Νο 18 στο οποίο οι τιμές ρεύματος κυμαίνονταν μεταξύ 2,5 - 3 mA, ενώ η θερμοκρασία μεταξύ 97 - 100οC. Και στις δύο περιπτώσεις δεν παρατηρήθηκε αισθητή αλλαγή της συμπε-ριφοράς με αλλαγή του probe.Ακόμα παρατηρήθηκε ότι για υψηλές τιμές ρεύματος, της τάξεως των 9 - 10mA σε συνδυασμό με υψηλή θερμοκρασία της τάξης των 95 - 100οC, τα δοκίμια παρουσιάζουν πολύ καλή ανορθωτική συμπεριφορά. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτής της κατηγορίας είναι το δοκίμιο Νο 10, στο οποίο η ένταση του ρεύματος πήρε τιμές μεταξύ 8 - 9mA, ενώ η θερμοκρασία κυμάνθηκε μεταξύ 95 - 98οC.Ακόμα αρκετά καλή ανορθωτική συμπεριφορά διαπιστώθηκε και στα δοκίμια στα οποία η ένταση του ρεύματος κυμαινόταν από 5 - 7mA, ενώ η θερμοκρα-σία κυμαινόταν σε σχετικά χαμηλές τιμές, της τάξης των 80 - 88οC. Όπως για παρά-δειγμα το δοκίμιο Νο 7, στο οποίο το ρεύμα κυμαινόταν μεταξύ 4 - 6mA, ενώ η θερμοκρασία από 81 - 90oC.Τέλος, στα δοκίμια στα οποία η τιμή του ρεύματος ήταν αρκετά χαμηλή, της τάξης των 2mA και η θερμοκρασία κυμαινόταν μεταξύ των 86 - 88οC παρατηρήθηκε ωμική συμπεριφορά.