تابناکی و خواص اپتیکی غیرخطی لایه نازک سولفید روی آلاییده با مس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان

استادیار، گروه فیزیک، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران.

چکیده

در این پژوهش، با استفاده از روش تبخیر حرارتی، لایه­های نازک سولفیدروی و سولفیدروی آلاییده‌شده با غلظت­های3، 4 و 7 درصد مس، لایه­نشانی شدند و خواص اپتیکی خطی و غیرخطی نمونه­ها با استفاده از طیف‌سنج جذبی مرئی- فرابنفش (UV-Vis)، طیف فوتولومینسانس (PL) و دستگاه روبش تک‌محوری (Z-Scan) اندازه‌گیری و تجزیه‌وتحلیل شدند. همچنین خواص ساختاری نمونه‌ها با استفاده از پراش پرتو ایکس (XRD) و تحلیل کمی داده‌ها بررسی شد. پیک‌های حاصل از نمودارها نشان می‌دهند که ناخالصی‌های موجود در لایه­های نازک سولفیدروی، منجر به فاز جدیدی در نمونه‌ها نشده ولی شدت نسبی قله­ها افزایش یافته است. با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری‌شده حاصل از طیف جذبی، مقادیر جذب و گاف انرژی نانوساختار سولفیدروی و سولفیدروی آلاییده‌شده با مس محاسبه شدند. طیف فوتولومینسانس نشان می‌دهد با افزایش غلظت یون‌های مس شدت PL کاهش می‌یابد. اندازه‌گیری‌های اپتیکی غیرخطی با استفاده از لیزر موج پیوسته در طول موج nm 532 برای روزنه باز و بسته نشان می­دهد که ضریب جذب غیرخطی برای فیلم سولفیدروی، مثبت و برای فیلم‌های نازک سولفید روی آلاییده‌شده با مس منفی است. همچنین، با افزایش غلظت ضریب شکست و جذب غیرخطی افزایش می‌یابند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Photoluminescence and Nonlinear Optical Properties of Copper Doped Zinc Sulfide Thin Film

نویسندگان [English]

  • Esmaeil Shahriari
  • Amin Motamedi Nasab
Assistant Professor, Department of Physics, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.
چکیده [English]

In this research, Un-doped zinc sulfide and copper doped thin films in concentrations of 3%, 4% and 7% were deposited on glass substrate by thermal evaporation method, followed by measuring and analyzing linear and non-linear optical properties of the prepared samples using Ultraviolet Visible spectrophotometry (UV-Vis), Photoluminescence (PL) and Z-scan device. The structural properties of the sample and quantitative analysis of data were examined using X-ray diffraction (XRD). Peaks resulted from charts showed that impurities in thin films of zinc sulfide did not led to a new phase in the samples, but relative intensity of peaks increased. Using measured data of the absorption spectrum, the absorption values and the nano-structured band gap of zinc sulfide and doped zinc sulfide with copper were calculated. The photoluminescence illustrated that with increasing concentrations of copper ions, PL intensity decreased. Non-linear optical measurements using continuous wave laser with wavelength of 532 nm for open and closed aperture showed that nonlinear absorption coefficient was positive for the zinc sulfide film and negative for zinc sulfide thin films with copper doped zinc. Furthermore, the refractive index and nonlinear absorption increase with increasing concentration.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanoparticles
  • Photoluminescence
  • Optical Properties

مراجع

[1] Yang, P., Lü, M., Xu, D., Yuan, D., Song, C., Liu, S., & Cheng, X. (2003). Luminescence characteristics of ZnS nanoparticles co-doped with Ni2+ and Mn2+. Optical Materials, 24(3), 497-502. https://doi.org/10.1016/S0925-3467(03)00036-3
[2] Bhargava, R., Gallagher, D., & Welker, T. (1994). Doped nanocrystals of semiconductors-a new class of luminescent materials. Journal of Luminescence, 60, 275-280. https://doi.org/10.1016/0022-2313(94)90146-5
[3] Shin, D. H., Larina, L., Yoon, K. H., & Ahn, B. T. (2010). Fabrication of Cu (In, Ga) Se2 solar cell with ZnS/CdS double layer as an alternative buffer. Current Applied Physics, 10(2), S142-S145. https://doi.org/10.1016/j.cap.2009.11.019
[4] Xu, J., & Ji, W. (1999). Characterization of ZnS nanoparticles prepared by new route. Journal of Material Science Letter, 18(2), 115-117. https://doi.org/10.1023/A:10 06606316840
[5] Yamamoto, T., Kishimoto, S., & Iida, S. (2002). Materials Design for p‐Type ZnS with Blue Ag Emission by Triple‐Codoping Method. Physics Status Solidi B 229(1), 371-375.
[6] Li, C., Shi, G., Xu, H., Guang, S., Yin, R., & Song, Y. (2007). Nonlinear optical properties of the PbS nanorods synthesized via surfactant-assisted hydrolysis. Materials Letters, 61(8-9), 1809-1811. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.07.137
[7] Wang, C., Guan, L., Mao, Y., Gu, Y., Liu, J., Fu, S., & Xu, Q. (2009). Optical nonlinearity of ZnS–polyvinyl pyrrolidone nanocomposite suspension. Journal of Physics D: Applied Physics, 42(4), 045403. https://iopscience.iop.org/article/10. 1088/0022-3727/42/4/045403
[8] Elidrissi, B., Addou, M., Regragui, M., Bougrine, A., Kachouane, A., & Bernède, J. C. (2001). Structure, Composition and Optical Properties of ZnS Thin Films Prepared by Spray Pyrolysis. Materials Chemistry and Physics, 68(1-3), 175-179. https:// doi.org/10.1016/S0254-0584(00)00351-5
[9] Murali, K., Vasantha, S., & Rajamma, K. (2008). Properties of pulse plated ZnS films. Materials Letters, 62(12-13), 1823-1826. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.10.012
[10] Shao, L.-X., Chang, K.-H., & Hwang, H.-L. (2003). Zinc sulfide thin films deposited by RF reactive sputtering for photovoltaic applications. Applied Surface Science, 212-213, 305-310. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(03)00085-0
[11] Tang, W., & Cameron, D. (1996). Electroluminescent zinc sulphide devices produced by sol-gel processing. Thin Solid Films, 280(1-2), 221-226. https://doi.org/10.10 16/0040-6090(95)08198-4
[12] Liang, C., Shimizu, Y., Sasaki, T., Umehara, H., & Koshizaki, N. (2004). Au-mediated growth of wurtzite ZnS nanobelts, nanosheets, and nanorods via thermal evaporation. The Journal of Physical Chemistry B, 108(28), 9728-9733. https:// doi.org/10.1021/jp037963f
[13] Naskar, M. K., Patra, A., & Chatterjee, M. (2006). Understanding the role of surfactants on the preparation of ZnS nanocrystals. Journal of Colloid and Interface science, 297(1), 271-275. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.10.057
[14] Kim, C. E., Moon, P., Kim, S., Myoung, J.-M., Jang, H. W., Bang, J., & Yun, I. (2010). Effect of carrier concentration on optical bandgap shift in ZnO: Ga thin films. Thin Solid Films, 518(22), 6304-6307. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.03.042
[15] Bacaksiz, E., Görür, O., Tomakin, M., Yanmaz, E., & Altunbaş, M. (2007). Ag diffusion in ZnS thin films prepared by spray pyrolysis. Materials Letters, 61(30), 5239-5242. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.04.038
[16] Anand, K. (2015). Optical and photoluminescence properties of HMTA capped transition metals (Cu, Co and MN) doped ZnS nanoparticles. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 7(2), 286-290. https://www.jocpr.com/articles/ optical-and-photoluminescence-properties-of-hmta-capped-transition-metalscu-co-and-mn-doped-zns-nanoparticles.pdf
[17] Karar, N., Singh, F., & Mehta, B. (2004). Structure and photoluminescence studies on ZnS: Mn nanoparticles. Journal of Applied Physics, 95(2), 656-660. https://doi. org/10.1063/1.1633347
[18] Peng, W. Q., Cong, G. W., Qu, S. C., & Wang, Z. G. (2006). Synthesis and photoluminescence of ZnS:Cu nanoparticles. Optical Materials, 29(2), 313-317. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2005.10.003
[19] Sheik-Bahae, M., Said, A. A., Wei, T.-H., Hagan, D. J., & Van Stryland, E. W. (1990). Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam. IEEE journal of quantum electronics, 26(4), 760-769. https://doi.org/10.1109/3.53394
[20] Ghosh, B., Chakraborty, P., Mohapatra, S., Kurian, P. A., Vijayan, C., Deshmukh, P., & Mazzoldi, P. (2007). Linear and nonlinear optical absorption in copper nanocluster-glass composites. Materials Letters, 61(23-24), 4512-4515. https://doi. org/10.1016/j.matlet.2007.02.065
[21] Boyd, R. (2008, March 28). Nonlinear Optics (Third ed.). Elsevier. https://www. elsevier.com/books/nonlinear-optics/boyd/978-0-12-369470-6
[22] Franz, R., & Wiedemann, G. (1853). Ueber die Wärme‐Leitungsfähigkeit der Metalle. Annalen der Physik, 165(8), 497-531. https://doi.org/10.1002/andp.18531650802
[23] Suhail, M. H., & Ahmed, R. A. (2014). Structural, optical and electrical properties of doped copper ZnS thin films prepared by chemical spray pyrolysis technique. Advances in Applied Science Research, 5(5), 139-147. https://www.semanticscholar .org/paper/Structural,-optical-and-electrical-properties-of-by-Suhail-Ahmed/2c7a67 5cdd2439c5ab15b6d1507705ed650c4a98
فصلنامه علمی کارافن
دوره 18، ویژه نامه 1 - شماره پیاپی 54
عمران، هنر و معماری/ علوم پایه
شهریور 1400
صفحه 189-203

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 11 شهریور 1399
  • تاریخ بازنگری: 16 مهر 1399
  • تاریخ پذیرش: 04 بهمن 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار