حصل الطالب أحمد حجازي من قسم الفيزياء في كلية العلوم بجامعة الكويت على جائزة مشاريع طلبة الدراسات العليا لدرجة الماجستير للعام الأكاديمي 2019/2020 وجاء فوزه عن بحث قدمه بعنوان: "الخواص الضوئية للأفلام الرقيقة لمادة أكسيد قصدير الزنك المطعم بالفلور والمحضرة بطريقة الرش والتحلل الحراري باستخدام الموجات فوق الصوتية".
ملخص الدراسة:
بين الباحث أن أكسيد القصدير يحظى حاليا باهتمام متزايد بفضل تدخله في كثير من التطبيقات الفولتضوئية، وبالرغم من وفرة الأبحاث المتعلقة بأكسيد القصدير سواء في الحالة النقية أو مطعماً بالزنك Zn أو الفلور F، إلا أن المحتوى الرباعي من أكسيد قصدير الزنك المطعم بالفلور (FZTO) نادرا ما تم التحري عنه.
وذكر أن هذا البحث اعتنى بتقديم معالجة شاملة لهذا الأكسيد شبه الموصل، تبدأ من تحضيره لأول مرة بطريقة الرش والتحلل الحراري بالموجات فوق الصوتية (USP) وامتدادً إلى تحليل لخواصه المختلفة من خلال تقنيات تركيبية وكيميائية وكهربائية وضوئية.
وأظهر التحليل التركيبي باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) أثرين متعاكسين للتطعيم بالزنك والفلور على الخواص البلورية، وذلك بدلالة حجم البلورات وكثافة الانخلاعات، وقد انعكس هذا الأثر على أنماط تركيز حاملات الشحنة الحرة.
كما تضمَّنَ البحث أيضاً تحليلَ العناصر باستخدام طيف الإلكترونات الضوئية للأشعة السينية (XPS) والذي هدفَ إلى التحقق من وجود شواغر أكسجين مختلفة واختبار دورها المحتمل في سلوك المادة الضوئي والكهربائي، فوُجِدَت ثلاثة مستويات لشواغر الأكسجين واستعين في تحديد أنواعها بطيف التوهج (PL) وتحليل الانتقالات الضوئية الناتجة من طيف الامتصاص، وهذا التحليل الأخير كشف عن أربع انتقالات في النطاق 3.8-5.1 eV، مما عزا الشوائب التي تمت ملاحظتها إلى شواغر الأكسجين المتعادلة وأحادية التأين وثنائيته، وفي النهاية قمنا بدراسة أثر موس وبورشتاين وأذيال أورباخ في FZTO.
وقد أيَّدت هذه الدراسة فرضيات سابقة بأن الشواغر أحادية التأين ناجمة عن شوائب خارجية مضافة إلى بلورة الـZTO، كما استنتجت علاقة بين القيم الضوئية لأذيال أورباخ وطاقات الفجوة، وهو ما لم يُرصد في هذه المادة من قبل.
Optical Investigations of Fluorine-Doped Zinc Tin Oxide Thin Films Prepared by Ultrasonic Spray Pyrolysis Technique
Tin dioxide (TO) is currently gaining an increasing interest due to its promising incorporation into many photovoltaic applications. Despite the prolific literature on TO, whether in pure state or doped with Zn or F, the quaternary content of fluorine-doped zinc tin oxide was rarely investigated. This research cared to provide an inclusive treatment of this semiconductor oxide, starting from its novel synthesis by ultrasonic spray pyrolysis, and extending to analyzing its various structural, elemental, electric and optical properties.
The structural analysis by the x-ray diffraction (XRD) has revealed two opposing effects of doping with Zn and F, in terms of crystallite sizes and dislocation densities. These effects were reflected on the trends of free charge carrier concentration. The elemental x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was included to verify the existence of various types of oxygen vacancies and examine their possible role in optoelectronic behavior. Three charge states of oxygen vacancies were found, and their classification was determined by photoluminescence (PL) and optical transition analysis resulting from absorption spectra. This latter analysis revealed four direct transitions in the region 3.8-5.1 eV, which assigns the found defects to the neutral, singly- and doubly-ionized oxygen vacancies. At the end, the effects of Moss-Burstein and Urbach tails were tracked in FZTO. This study supported previous inspections that singly-ionized oxygen vacancies are attributed to dopants foreigner to the ZTO lattice. The study has also set a relation between Urbach tails and optical bandgap in ZTO, which was not known for this material before.