تغییرات خصوصیات سطح لایه نازک اکسید مس ناشی از کاشت یون نیتروژن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک- دانشکده علوم پایه- دانشگاه ملایر

2 گروه آموزشی فیزیک، دانشکده علوم پایه- دانشگاه ملایر

چکیده

در این پژوهش، به بررسی اثر کاشت یون نیتروژن بر ساختار کریستالی و سطحی فیلم نازک اکسید مس پرداخته شده است. بدین منظور لایه نازک به ضخامت  nm 150 به روش کندوپاش از جنس اکسید مس بر زیر لایه سیلیکون لایه­ نشانی شد. سپس، عمل کاشت یون نیتروژن با استفاده از شتاب دهنده الکترواستاتیک با انرژی keV 50 به مدت3 ثانیه و با شار 1014× 2 ذره بر سانتی­متر مربع انجام شد. جریان اندازه­ گیری در این آزمایش با استفاده از دستگاه نمایه­ سنج و براش آن به تابع گاوسی در حد چند میلی ­آمپر به دست آمد. از نتایج آنالیزهای حاصل از XRD مشاهده شد که تعداد قله­­ ها و ساختار بلوری تغییر کرده است. نتایج آنالیز SEM  به هم ریختن ساختار سطحی بر اثر کاشت را نشان می­ دهد و همچنین، از اندازه­ گیری پارامترهای ناهمواری  AFM مشخص شد که لایه نازک اکسید مس پس از کاشت یون یکنواخت­ تر شده و ناهمواری یا زمختی آن کاهش پیدا کرده است. با اندازه­گیری گاف انرژی اکسید مس مشخص شد که پس از کاشت یون مقدار آن از eV 26/2 به eV 34/2 افزایش پیدا کرده است که می­ توان برای ساخت انواع حسگرها گاف انرژی آنرا تغییر داد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Variation of surface properties of copper oxide thin films by nitrogen ion implantation

چکیده [English]

In this research, the effect of nitrogen ion implantation on the crystalline and surface structure of copper oxide thin film has been investigated. For this purpose, a thin film with a thickness of 150 nm was deposited on the silicon substrate by copper oxide sputtering method. Then, the nitrogen ion implantation was performed using an electrostatic accelerator with 50 keV energy for 3 seconds with a fluence of 2×1014 particles per square centimeter. The measured current in this experiment was obtained using a profile device and its fitting to a Gaussian function in the range of several milliamperes. From the results of XRD analyzes, it was observed that the number of peaks and the crystal structure have changed. The results of SEM analysis show that the surface structure is defected due to implantation and the measurement of AFM roughness parameters showed that the thin layer of copper oxide became more uniform after ion implantation and its roughness or stiffness is decreased. By measuring the energy gap of copper oxide, it was found that after ion implantation, its value increased from 2.26 eV to 2.34 eV, which can be tuned to make different types of sensors.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Copper oxide
  • Ion implantation
  • Band gap energy
 [1] م.ط. ریزی, طراحی و شبیه سازی سلول خورشیدی ارزان قیمت مبتنی بر اکسید مس با راندمان بالا, دانشکده برق، دانشگاه حکیم سبزواری, 1396.
[2] A. Mustafa, M. Sadeer, S. Duha, “Preparation Doped CuO Thin Film and Studies of Its Antibacterial Activity”, Acta Physica Polonica A, 135, 596-600, 2019.
[3] T. Ikeda, Y. Oaki, H. Imai, “Thin Films that Consist of CuO Mesocrystal Nanosheets: An Application of Microbial-Mineralization-Inspired Approaches to Thin-Film Formation”, Chemistry - An Asian Journal, 8, 2064-2069, 2013.
[4] A. Yavuz, K. Kaplan, M. Bedir, “Copper oxide coated stainless steel mesh for flexible electrodes”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 150, 2021.
[5] R.P. Allaker, Nanoparticles and the Control of Oral Biofilms, in:  Nanobiomaterials in Clinical Dentistry, Elsevier, 2013.
[6] M.Y. Ghotbi, Z. Rahmati, “Nanostructured copper and copper oxide thin films fabricated by hydrothermal treatment of copper hydroxide nitrate”, Materials & Design, 85, 719-723, 2015.
[7] H. Hashim, S.S. Shariffudin, P.S.M. Saad, H.A.M. Ridah, “Electrical and Optical Properties of Copper Oxide Thin Films by Sol-Gel Technique”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 99, 2015.
[8] C.V. Niveditha, M.J. JabeenFatima, S. Sindhu, “Electrochemical synthesis of p-type copper oxides”, Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 747-751, 2016.
[9] I.S. Han, I.-K. Park, “Growth of Copper Oxide Thin Films Deposited by Ultrasonic-Assisted Spray Pyrolysis Deposition Method”, Korean Journal of Materials Research, 28, 516-521, 2018.
[10] Y. Xiang, W. Chengbiao, L. Yang, Y. Deyang, X. Tingyan, “Recent Developments in Magnetron Sputtering”, Plasma Science and Technology, 8, 337-343, 2006.
[11] S. Baturay, A. Tombak, D. Kaya, Y.S. Ocak, M. Tokus, M. Aydemir, T. Kilicoglu, “Modification of electrical and optical properties of CuO thin films by Ni doping”, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 78, 422-429, 2016.
[12] M. Nolan, S.D. Elliott, “Tuning the Transparency of Cu2O with Substitutional Cation Doping”, Chemistry of Materials, 20, 5522-5531, 2008.
[13] M.M. Verdian, Surface Coating Processes, in:  Comprehensive Materials Finishing, Elsevier, 2017.
[14] J.M. Poate, G. Foti, D.C. Jacobson, Surface Modification and Alloying, 1983.
[15] N.N. Koval, S.V. Grigoryev, V.N. Devyatkov, A.D. Teresov, P.M. Schanin, “Effect of Intensified Emission During the Generation of a Submillisecond Low-Energy Electron Beam in a Plasma-Cathode Diode”, IEEE Transactions on Plasma Science, 37, 1890-1896, 2009.
[16] A.I. Ryabchikov, P.S. Anan’in, S.V. Dektyarev, D.O. Sivin, A.E. Shevelev, “Plasma-Immersion Formation of High-Intensity Ion Beams”, Technical Physics Letters, 43, 1051-1053, 2018.
[17] V.S. Kovivchak, T.V. Panova, K.A. Mikhailov, “Surface modification of bismuth and tin under the action of a powerful ion beam of nanosecond duration”, Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 6, 248-250, 2012.
[18] A. Anders, Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition, Wiley2000.
[19] G.Y. Yushkov, A.G. Nikolaev, V.P. Frolova, E.M. Oks, A.G. Rousskikh, A.S. Zhigalin, “Multiply charged metal ions in high current pulsed vacuum arcs”, Physics of Plasmas, 24, 2017.
 [20] ف. عظیمی, ا.غ. حاتم, “بررسی تاثیر کاشت یون نیتروژن بر ویژگی لایه نازک اکسید روی (ZnO)”, فیزیک کاربردی ایران, 9, 45-52, 1398.
[21] M. Mahjour-Shafiei, H. Noori, A.H. Ranjbar, “Influence of magnetic field on the electric breakdown in penning ion source”, Review of Scientific Instruments, 82, 2011.
[22] J.F. Ziegler, M.D. Ziegler, J.P. Biersack, “SRIM – The stopping and range of ions in matter (2010)”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 268, 1818-1823, 2010.
[23] J.F. Ziegler, J.P. Biersack, The Stopping and Range of Ions in Matter, in:  Treatise on Heavy-Ion Science, 1985, 93-129.
[24] S. Namba, Ion Implantation in Semiconductors, Springer, Boston, MA1975.
[25] E.S. Gadelmawla, M.M. Koura, T.M.A. Maksoud, I.M. Elewa, H.H. Soliman, “Roughness parameters”, Journal of Materials Processing Technology, 123, 133-145, 2002.
[26] R. Koole, E. Groeneveld, D. Vanmaekelbergh, A. Meijerink, C. de Mello Donegá, Size Effects on Semiconductor Nanoparticles, in:  Nanoparticles, 2014, 13-51.