لایه نشانی مواد کالکوژنید (Chalcogenide)
کالکوژنیدها موادی هستند که حداقل شامل یکی از مواد کالکوژن یعنی مواد گروه ۱۶ جدول تناوبی (سولفور، سلنیوم، تلوریوم و … ) می‌باشند. ترکیبات دوتایی، سه‌تایی و چهارتایی از این عناصر دارای کاربردهای گسترده‌ای در فوتوولتاییک، فوتوکاتالیست‌ها، حسگری، سلولهای سوختی و ساخت باتری دارند.
ویژگی‌های مواد کلکوژنید
مواد کلکوژنید، مانند کلکوژنیدهای فلزات واسطه، شامل آنیون‌های –S۲-، Se۲ یا –Te۲ و حداقل یک عنصر الکتروپوزیتیو هستند. کلکوژنیدها، دارای گاف انرژی باریکی هستند که منجر به ویژگی‌های نوری شیشه‌های کالکوژنید، مانند ضریب شکست بالا، عبوردهی اشعه مادون قرمز (IR)، ویژگی‌های اپتیک غیر‌خطی و تغییر فاز از آمورف به کریستال برگشت پذیر، می‌شود. از کاربردهای این مواد میتوان به سلولهای فوتوولتاییک اشاره کرد. شیشه‌های کلکوژنید را میتوان با صیقل دادن و ماشین‌کاری، به شکل‌های مختلف ورقه‌ای، کروی و دیگر اشکال مورد استفاده در کاربردهای مختلف درآورد.
کاربردهای لایه‌های نازک کلکوژنید
لایه‌های نازک کلکوژنید به دلیل دارا بودن گاف انرژی کوچک، سازگار بودن با محیط زیست و عدم سمیت، روش‌های تولید کم‌هزینه و آسان در بسیاری از کاربردها مورد استفاده هستند. از لایه‌های نازک کلکوژنیدی در تولید موارد زیر استفاده می‌شود.
- سلولهای فوتوولتائیک
- سلولهای خورشیدی
- سلولهای سوختی
- باتری‌ها
- حسگرهای گاز
- ابرخازن‌ها
- تصویربرداری نوری
- ضبط هولوگرام
- حافظه‌های نوری
- اپتیک فیبر مادون قرمز
شیشه‌ها و عدسی‌های کالکوژنید برای جایگزینی عناصری مانند Ge، ZnSe و ZnS در بعضی کاربردها مناسب هستند. شیشه‌های کالکوژنید دارای توزیع و عبور مناسب، تغییرات اندک ضریب شکست در برابر دما و پهنای باند وسیع، هستند.
روش‌های لایه‌نشانی لایه‌های نازک کالکوژنید
خصوصیات نوری و سایر ویژگی‌های لایه‌های نازک (حرارتی، مکانیکی، مقاومت، شیمیایی و …) بسیار وابسته به روش استفاده شده برای لایه‌نشانی آنها است. بسته به اینکه از چه روشی برای لایه‌نشانی لایه‌های نازک استفاده می شود، میتوان استوکیومتری، ساختار، جایگاه نقص‌ها و بسیاری از ویژگی‌های دیگر را کنترل کرد. لایه‌های نازک کلکوژنید را میتوان به روش‌های شیمیایی یا فیزیکی، مانند لایه‌نشانی بخار فیزیکی (PVD) ایجاد نمود.
لایه‌نشانی شیمیایی مواد کالکوژنید
در لایه‌نشانی کالکوژنیدها با استفاده از فرآیندهای شیمیایی معمولا از رسوب فاز گازی استفاده می‌شود که به عنوان لایه‌نشانی بخار شیمیایی (CVD) نامیده می‌شود. در این روش، گازهای مختلف در فاز گازی یا در فصل مشترک زیرلایه-گاز واکنش می‌دهند تا لایه نازکی روی زیرلایه تولید کنند، بنابراین ترکیب لایه نازک ایجاد شده با گازهای اولیه متفاوت است. تکنیک CVD دارای مزایای ایجاد یک فیلم با ضخامت (و ترکیب) یکنواخت، با استفاده از پیش‌سازهای با خلوص بالا و نرخ رسوب بالا (تقریبا ۱ میکرومتر در دقیقه) است. با این حال، این روش لایه‌نشانی دارای معایبی مانند دمای بالا و محدود بودن موادی که میتوان از طریق این روش پوشش داد، است.
لایه‌نشانی فیزیکی لایه نازک کالکوژنید
تبخیر حرارتی
روش تبخیرحرارتی برای لایه‌نشانی مواد کالکوژنید باینری مثل As-S (Se) و Ge-S (Se) مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین این روش برای لایه‌نشانی سلنیوم آمورف به منظور کاربرد در پنل‌های حساس به اشعه X نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی به علت ساده و ارزان بودن، تکرار‌پذیری، قابلیت بالای کنترل فرآیند و امکان لایه‌نشانی پوشش‌های عنصری، آلیاژی و ترکیبی بر روی قابلیت لایه‌نشانی زیرلایه‌هایی با مساحت زیاد، از محبوبیت بالایی بین روش‌های لایه نشانی برخوردار است.
اسپاترینگ
روش لایه نشانی اسپاترینگ از روش‌هایی است که برای لایه نشانی طیف وسیعی از مواد کالکوژنید مناسب است. این روش برای لایه‌نشانی شیشه‌های ترکیبات دوتایی (مانند a-Ge-Te)، سه‌تایی (مانند a-Ge-Ga-S) و یا چندگانه (a-Ag-In-Sb-Te) استفاده می‌شود. اسپاترینگ یکی از روش‌های اصلی مورد استفاده در صنعت، برای ایجاد لایه‌های اپتیکی و الکتریکی، به منظور کاربرد ذخیره داده‌هاست.
کنترل یکنواختی ضخامت در تمام مساحت زیرلایه با استفاده از روش اسپاترینگ بهتر حاصل می‌شود اما نرخ لایه نشانی این مواد، با این روش پایین و کمتر از ۱ نانومتر در ثانیه می‌باشد. از آنجا که بیشتر مواد کالکوژنید از نظر الکتریکی رسانایی کمی دارند، استفاده از اسپاترینگ RF و صفحه پشتی برای این مواد توصیه می‌شود.
لیزر پالسی
روش لایه نشانی با استفاده از لیزر پالسی (PLD) نیز به منظور ایجاد لایه نازک‌های کالکوژنیدی به کار رفته است. از مزایای استفاده از این روش میتوان به ایجاد لایه‌هایی نازک با استوکیومتری کاملا یکسان با ماده هدف، اشاره کرد. اگرچه، این ویژگی به چگالی توان پالس نیز بستگی دارد. شرایط مختلف لایه‌نشانی نیز بر ساختار لایه‌های PLD تاثیر می‌گذارد. انرژی بالای ذرات کنده شده از هدف، منجر به چگالی بالا و چسبندگی خوب لایه‌های آماده شده به زیرلایه می‌شود. کاهش حساسیت به نور این لایه‌ها، نیز در ساخت ادوات نوری سودمند است.
محصولات شرکت پوشش‌های نانو ساختار، در مدل‌های مختلف توانایی لایه نشانی بخار فیزیکی به روش‌های اسپاترینگ، تبخیر حرارتی و لیزر پالسی را دارا هستند. برای کسب اطلاعات بیشتر به محصولات شرکت مراجعه نمایید.
دستگاه تبخیر حرارتی رومیزی خلاء بالای DTE و DTT، ساخت شرکت پوشش‌های نانوساختار، می‌باشند که قابلیت لایه‌نشانی لایه‌های نازک از مواد مختلف را فراهم می‌آورند.
اسپاتر کوترهای تولید شده توسط پوشش‌های نانوساختار، دستگاه اسپاترینگ پیشرو در حوزه لایه‌نشانی به روش اسپاترینگ در خلاء پایین و بالا برای تولید لایه نازک هستند.
منابع
- https://en.wikipedia.org/wiki/Chalcogenide
- Muslih, E. Y., Munir, B., & Khan, M. M. (2021). Advances in chalcogenides and chalcogenides-based nanomaterials such as sulfides, selenides, and tellurides. In chalcogenide-based nanomaterials as photocatalysts (pp. 7-31). Elsevier.
- Khan, M. M. (2023). Semiconductors as photocatalysts: visible-light active materials. In Mohammad Mansoob Khan, Theoretical Concepts of Photocatalysis (pp. 53-75). Elsevier.
- Orava, J., Kohoutek, T., & Wagner, T. (2014). Deposition techniques for chalcogenide thin films. In Chalcogenide glasses (pp. 265-309). Woodhead Publishing.
- Tripathi, S., Kumar, B., & Dwivedi, D. K. (2018, November). Chalcogenide glasses: thin film deposition techniques and applications in the field of electronics. In 2018 5th IEEE Uttar Pradesh Section International Conference on Electrical, Electronics and Computer Engineering (UPCON) (pp. 1-4). IEEE.