رشد نانوساختارهای نیمه‌هادی بر روی لایه‌های فلزی رسانا

آرایه‌های نیمه‌هادی با دانسیته بالا و مقیاسی بزرگ از نانوساختارهای
تک بعدی به دلیل اهمیت کاربرد آنها در ابزارهای الکترو- نوری آتی بطور
گسترده‌ای مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

به نظر می‌رسد در میان نیمه‌هادی‌ها اکسید روی (ZnO) بدلیل انرژی پیوندی
الکترون- حفره بزرگ (۶۰ mv) و پایداری گرمایی و مکانیکی بالا، برای استفاده
در ابزارهای نانوالکترونیکی نوری با طول موج کوتاه و کارایی بالا بسیار
مورد توجه است.

همچنین ثابت شده که آرایه‌های نانوسیمی یا نانومیله‌ایZnO بسیار کاربردی
بوده و در نانومولدهای پیزوالکتریکی، پیلهای خورشیدی حساس به رنگ،
کریستالهای فوتونی، سطوح بسیار آبگریز و حتی ابزارهای زیستی مؤثر هستند.

یکی از موضوعاتی که پژوهشگران هنوز برای انجام آن تلاش می‌کنند، سنتز آرایه‌های
نانوسیمی ZnO است. روشهای دما بالا نظیر رسوب‌دهی شیمیایی بخار (CVD) بطور
وسیعی به کار گرفته شده و منجر به تشکیل نانوساختارهایی با کیفیت بالا شده‎اند
ولی گران هستند و انرژی زیادی مصرف می‎کنند.

از طرف دیگر، امتیازات بسیاری برای نانوساختارهای نیمه هادی که بطور مستقیم
بر روی لایه‌های فلزی رسانا رشد داده شده‌اند وجود داردکه برای مثال می‌توان
به تشکیل اتصالات الکتریکی قوی در طول فرآیند رشد اشاره کرد.

روشهای شیمیایی مرطوب به جهت دمای پائین‌شان، کنترل آسان و پتانسیل بالا
برای تولید در مقیاس زیاد اخیراً برای تولید نانوساختارهای ZnO توسعه یافته
و مورد توجه قرار گرفته‎اند و تا کنون موفق‎ترین روشی است که می‎تواند بر
روی لایه‌های روکش شده با نانوذرات ZnO تکثیر یابد و رشد کند.

در این فرآیند دو مرحله‎ای، پوشش‎دهی زیرلایه برای تشکیل یک لایه هسته‎زا
هنوز دشوار و پیچیده است. بنابراین رشد قابل کنترل، کم هزینه و در مقیاس
زیاد نانوساختارهای تک بعدی ZnO بر روی زیرلایه‌های مناسب از طریق سنتز تک
مرحله‎ای برای عملی شدن نیاز به کاربردهای جدید دارد. در حال حاضر
پژوهشگران چینی یک راه حل موثر برای رشد نانوساختارهای تک بعدی ZnO با نظم
بالا بر روی لایه‌های فلزی خنثی در دمای پایین و در مقیاس بزرگ ابداع کرده
اند.

در مطالعات قبلی، آرایه‌های نانوساختار تک بعدی ZnO معمولاً بر روی ITO و
سایر لایه‌های نیمه رسانا یا عایق نظیر لاجورد، GaN، شیشه بی‌شکل،
پلاستیکها، ویفرهای سیلیکونی و LDH رشد داده شده‎اند.

سنتز مستقیم محلول آرایه‎های ZnO بر روی لایه‌های فلزی متنوع تا کنون امکان
پذیر نبود. در این کار فرآیند بسیار مؤثری برای رشد نانوساختارهای تک بعدی
ZnO که به صورت عمودی بر روی لایه‌های فلزی بی‎اثر (آلیاژ FeCoNi٬ Ti٬ Ni
وغیره)در دمای پایین (≤ ۷۰°c) در مقیاس بزرگ (۱۰cm۱۰cm) چیده شده‎اند
ارائه شد.

دکتر جین پینگ لیو می‎گوید: فرآیند ساخت ما فاقد سورفاکتانت، دانه ZnO و یا
کاتالیزور است. ما قادریم نانوساختارهای مختلف ZnO از قبیل نانوسوزنها،
نانومیله‎های مداد مانند، نانومیله‎های شش‎وجهی و نانوستون‎ها را از طریق
تغییر دادن مقدار PH و دمای رشد به طور انتخابی سنتز کنیم.

زیرلایه‎های بی‌ا‎ثر در محیط قلیایی دارای پایداری شیمیایی بالا و سطحی
ناهموار می‎باشند که توانایی هسته‎زایی ناهمگن و متعاقب آن رشد در محورC
برای تشکیل آرایه‎های هم تراز عمودی را دارند.

آزمایشات ما نشان داد که نانو ذرات ZnO در اندازه ۵-۲۰ nm، بعد از ۸ دقیقه
واکنش روی لایه‎های فلزی به دست آمدند و در یک بعد رشد کردند که از طریق
ترکیب شدن ذرات کوچک و نزدیک به هم صورت گرفته‎اند.
 

زیر نویس عکس:(a) تصویرSEM، آرایش نانوسوزن ZnO بر روی
لایه(آلیاژFe-Co-Ni) با بزرگنمایی کم می‎باشد. عکس کوچک، تصویر برش عرضی و
تصویری از آلیاژ(۱۰۰ x100 x 0.15mm³) قبل و بعد از رشد ZnO را نمایش می‎دهد.(b)
نشر میدانی منحنی‎های J-E نمونه‎های مختلف. نمونه ۱: آرایش نانوسوزن ZnO،
نمونه ۲: آرایش نانو میله۶ وجهی ZnO، نمونه ۳: آرایش نانو مدادی ZnO

با توجه به توانایی اکسید کردن بالا و خواص فتوکاتالیزوری نیمه ‎هادی‎های
(ZnO-TiO2)، استفاده از فلزات بعنوان زیرلایه‌هایی برای فیلم نیمه‎هادی
پتانسیل کاربردی زیادی در سطوح خود پاک‎کننده مورد استفاده در معماری،
پوششهای ضد میکروب و واحدهای تهویه هوا دارد. به هر حال تحقیقات اندکی
درباره ساخت نانوساختارهای هم ترازZnO بر روی سطح هادی بخصوص در حلال با
دمای پایین‎تر از ۹۰C° گزارش شده است.

لیو توضیح داد که چگونه در سالهای اخیر رشد مستقیم آرایه‌های ZnO برروی سطح
روی(Zn)، بوسیله اکسیداسیون سطح ورقه روی در حلال و دمای اتاق یا تحت شرایط
گرمابی صورت گرفت.

دراین تکنیک، روی در طول فرایند رشد تحلیل رفته و سطح پایینی اکسید فلزی،
پایین‌تر می‌رود. برای توسعه ابزارهای نانو با کارایی بالا٬ رقابت زیادی
برای ساخت ZnO همتراز که بتواند مستقیماً سطح آزاد فلز روی با خاصیت
چسبندگی خوب در طول رشد را روکش کند صورت گرفت.

با این دیدگاه٬ پژوهشگران چینی با استفاده از لایه‌های فلزی هادی و بی اﺛر،
از مصرف لایه فلزی در طول فاز رشد اجتناب کردند. رشد ZnO بر روی لایه فلزی
مزیتهایی دارد مثلاٌ در حضور کاتالیزورهای پوشش داده شده یا لایه‌های هسته
زا، رشد، محدودیت فضایی ندارد، بنابراین تهیه روشی جهت ساخت آرایه‌های ZnO
همتراز روی فلزات در یک مرحله فراهم می‌شود. بعلاوه لایه فلزی به آسانی در
اندازه ها و شکلهای مختلف طراحی می‌شود. بنابراین توانایی رسیدن به ZnO در
هر شکل و اندازه لایه فراهم می شود.

با توجه به اینکه لایه فلزی هادی می‌تواند به عنوان الکترود استفاده شود،
جهت‌گیری آتی کار ما تمرکز بر روی این آرایه‌ها است تا نانو ابزارهایی چون
حسگرهای زیستی و حسگرهای گازی بسازیم.