قسم الفيزياء يناقش رسالة ماجستير تدرس الخصائص الفيزيائية لأغشية Ag2Se الرقيقة

ناقش قسم الفيزياء في كلية التربية للعلوم الصرفة (ابن الهيثم) رسالة الماجستير الموسومة (راسة الخصائص الفيزيائية لأغشية Ag₂Se الرقيقة) للطالبة (رنا جمال مزبان) التي انجزتها تحت اشراف التدريسية في القسم (أ.د. ايمان حميد خضير) ونوقشت من قبل أعضاء اجنة المناقشة المبينة أسمائهم فيما يأتي:   

1. أ.د. غصون حميد محمد (رئيسا)

2. أ.د. زياد طارق خضير (عضوا)

3. م.د. شيماء قاسم عبد الحسن (عضوا)

4. أ.د. ايمان حميد خضير   (عضوا ومشرفا)

وتهدف الرسالة الى :

1. تحضير سبيكة المركب الثنائي سيليند الفضة (Ag₂Se) من عناصره الأولية.

2. تحضير أغشية رقيقة من المركب بسمك 500 nm على  قواعد  من الزجاج  وأخـرى على ارضية السليكون عند درجـة حرارة الغرفـة  بطريقـة  التبخير  الحـراري  فـي الفراغ .

3. تشويب أغشية(Ag₂Se) بعناصر مختلفة  وهي الالمنيوم ,البزموث ,  الانتيمون والكادميوم  بنسبة تشويب ثابتة  2% بطريقة التشويب الحراري.

4. دراسة تأثير الشوائب المضافة على الخصائص التركيبية والبصرية والكهربائية لاغشية (Ag₂Se) المرسبة على القواعد الزجاجية  وكذلك على خصائص   المفارق الهجينة المصنعة من أغشية المادة النقية والمشوبة, وتحديد العنصر  الأمثل  في الحصول على افضل مفرق يعمل بمواصفات وخصائص عالية .

5. دراسة تأثير الشائبة المضافة على الاستجابة الطيفية والكشفية النوعية ومدة حاملات الشحنة.

وتم في هذا البحث تحضير سبيكة المركب الثنائي سيلنيد الفضة من عناصرها الاولية وبالصيغة الكيميائية (Ag₂Se) وذلك بإذابة عنصري الفضة والسيلينيوم في انبوبة من زجاج الكوارتز مفرغة من الهواء تحت ضغط مقداره (2X10^-3 mbar) ، ومن تبريد العينة باعتماد طريقة التبريد البطيء للمنصهر وإجراء فحوصات حيود الاشعة السينية لمسحوق السبيكة المحضرة ، وتم التأكد من حصول سبيكة المركب الثنائي على تركيب بلوري متعدد التبلور وبنظام بلوري من النوع المعيني (Orthorhombic) .

        تم ترسيب أغشية المركب (Ag₂Se) على قواعد من الزجاج وذلك لدراسة خصائص المركب التركيبية والبصرية والكهربائية ، وقواعد أخرى من السيليكون النقي ذي تبلور أحادي وبالاتجاه السائد (111) ومن النوع الموجب (P-Type) بهدف تصنيع الخلايا الشمسية من الاغشية ، وذلك باعتماد طريقة التبخير الحراري في الفراغ عند درجة حرارة الغرفة  وبمعدل ترسيب مقداره (2.07813± 0.1 nm/sec) وبسمك   ( 500 ± 20)  nm ، كذلك تمت دراسة تأثير الاشابة بعناصر مختلفة (Al, Bi, Sb, and Cd) بنسبة تشويب  ثابتة (2%) بطريقة الانتشار الحراري ,على خصائص الاغشية المحضرة والخلايا الشمسية المصنعة    لحالتي الاغشية النقية والمشوبة . 

      بينت نتائج حيود الاشعة السينية ان الاغشية المحضرة بنوعيها النقي والمشوب كانت ذات تركيب بلوري متعدد التبلور ومن النوع المعيني مع هيمنة النمو بالاتجاه السائد (013)  للاغشية النقية  وان القمة العريضة تدل على امتلاك المركب التركيب النانوي وان الاتجاه السائد للاغشية المشوبة هو   (002)   ، يرافق ذلك تزايد واضح في كل من درجة التبلور مع تغير عناصر التشويب من الالمنيوم ,البزموث , اللانتيمون والكادميوم على التوالي مع تناقص الحجم الحبيبي مع عملية التشويب.

       كما تم اعتماد تقانة الفحص بمجهر القوة الذرية (AFM) في قياس معدل الحجم الحبيبي لاغشية (Ag₂Se)  فضلاً عن دراسة الخصائص الاخرى كتحديد قيمة خشونة سطح الغشاء المحضر. وقد أظهرت نتائج القياسً حدوث زيادة الخشونة بتغير عناصر التشويب حسب التسلسل المذكور أعلاه, بالإضافة الى تأكيد الحصول على التركيب النانوي. كما بينت نتائج قياسات مجهر SEM بان الاغشية تمتلك تركيباً نانوياً اتفاقا مع نتائج حيود الاشعة السينية ومجهر AFM .

      أظهرت نتائج القياسات البصرية، ان فجوة الطاقة البصرية للأغشية المحضرة والمشوبة , بانها كانت  من النوع المباشر المسموح   وان قيمتها قد تناقصت  بصورة عامة مع تغير عناصر التشويب ضمن المدى  (2.8-2.4) الكترون فولت. وتم إيجاد الثوابت البصرية ضمن المدى المرئي (400-800) نانومتر.

     أظهرت نتائج قياسات التوصيلية الكهربائية المستمرة (DC) ان هنالك نقصانا في قيمة المقاومية الكهربائية بزيادة درجة الحرارة مما يشير الى سلوك اشباه الموصلات للمادة المدروسة ، فضلاً عن امتلاك الاغشية المحضرة طاقة تنشيط  واحدة مما يشير الى وجود ﺁلية واحدة للانتقال الالكتروني فيها ، وان قيم طاقات التنشيط قد تناقصت بعملية التشويب ، أما بالنسبة الى قياسات تاثير هول فقد أظهرت النتائج بأن الاغشية المحضرة كانت ذات توصيلية كهربائية من النوع السالب (N-type) وان عملية التشويب قد عززت  من حركية حاملات الشحنة الأغلبية.

  بينت نتائج قياسات خصائص (تيار-جهد) في حالة الاضاءة ان الخلايا الشمسية المصنعة من غشاء المادة المشوبة بالالمنيوم تمتلك اعلى قيمة للكفاءة التحويلية من بين النماذج المشوبة الاخرى، حيث بلغت كفاءتها التحويلية (1.53%) واقل قيمة عند التشويب بالكادميوم (0.69).

  كما بينت نتائج معلمات الخلية من الاستجابة الطيفية والكشفية النوعية ومدة حياة الحاملات وان افضل النتائج كانت عند التشويب بعنصر الالمنيوم .

وتوصلت الطالبة الى التوصيات الاتية :  :

1-تحضير الغشاء بطريقة أخرى مثلا بالليزر او الطرائق الكيميائية.

2-استخدام عناصر أخرى في التشويب.

3- تغيير نسب التطعيم.

4- تغيير عوامل التحضير مثل السمك والتلدين ودرجة حرارة الأساس.

Department: Physics

Title of thesis:   Study the Physical Properties of Ag₂Se Thin films

Name: Rana Jamal Mazban 

Supervisor

Prof.Dr. Iman Hameed Khudayer

Abstract: In this study, binary compound Sliver Selenide alloy was prepared from its primary elements with the chemical formula (Ag₂Se) by dissolving siliver and selenium materials in a quartz  tube of glass which is vacuumed from the air under pressure of (2×10^-3) mbar , and when  the sample is cooled using the slow cooling method of the fuse , the X-ray diffraction analysis was done on (Ag₂Se)  alloy powder, it was ascertained that the (Ag₂Se)  was obtained with a Polycrystalline structure of orthorthombic crystalline system. Ag₂Se  thin films were deposited on glass substrates to study the structure, optical and electrical properties of the synthetic compound and also on other substrates of pure silicon wafer with monocrystalline crystallization (111) and (P-Type) electrical conductivity , in order to manufacture the solar cells from the material thin films by using thermal evaporation under vacuum method in the room temperature  and  with a deposition rate of (2.078±0.1) nm / sec and with  thickness of the films (500 ± 20) nm. Investigated the effect of doping by a different element (Al, Bi, Sb and Cd) with a constant doping ratio 2% by thermal diffusion method, on the thin films and prepared heterojunction solar cell for pure and doping cases.

The X-ray diffraction pattern results showed that all prepared films (pure and doped one) are polycrystalline structure and have orthorthombic crystal system with preferred orientation along (013) for pure sample and (002) plane for all doped films accompanied that by a clear increase in crystallization and decrease grain size by doping process.

Furthermore, the atomic force microscopy technique was used to determine the average grain size of the all (Ag₂Se) thin film samples, and the surface roughness of the films.

 The results of the measurement showed an increase of the surface roughness with a variation of the doping elements according to the above series, which ensure the nano-structure.

Also the SEM measurements, show that the thin films have nano-structure, agreed with XRD and AFM results.

The optical measurements results showed that, the optical energy gap for all prepared films was calculated by using the transmittance spectrum as a function of wavelength within the range (200-800) nm, had a direct allowed type and its value had been decrease by doping process to become in the range between (2.8-2.4) eV, the optical constant, has been calculated also.

The direction  conductivity measurements results (DC) showed a decrease in the value of electrical resistivity with doping process, as well as the prepared film have one activation Energies which indicates the existence of one mechanisms for electronic transition , and the values ​​of  these activation energies has been decreased by the doping process , while the Hall effect measurement results showed that prepared (Ag₂Se)   thin films had (N-type) electrical conductivity and the doping process enhanced the concentration of the majority charge carriers 

The (I-V) characteristics measurements results under illumination condition Showed  that  the  solar  cells manufactured from  the  (Ag₂Se)    films  has the highest value of conversion efficiency from the Al doped  model (1.53), and the lowest one for the Cd doped sample (0.69).

Besides the solar cell parameter results show that the   Spectral Responsivity and Specific detectivity and life time, belong to the Al doped samples.