Composition-structure-property relationships in thermally evaporated ZnS thin films and Ag/n-ZnS/FTO Schottky barrier diodes

تُعد أشعة الشمس مورداً قوياً، لكن التقاطها بكفاءة يتطلب مواد يمكنها العمل كنافذة واقية وشفافة مع السماح للكهرباء بالتدفق بحرية. في عالم الطاقة الشمسية والمستشعرات الإلكترونية، غالباً ما يبحث العلماء عن أشباه موصلات تكون شفافة للضوء المرئي ومع ذلك قادرة على توصيل التيار الكهربائي عند تحفيزها. أحد هذه المواد هو كبريتيد الزنك، وهو مركب مكون من ذرات الزنك والكبريت. هذا المركب متوفر بكثرة في الطبيعة، وغير سام، ويمتلك فجوة طاقة واسعة تجعل من المثالي للسماح للضوء بالمرور من خلاله دون امتصاصه، وهي صفة أساسية للطبقات العليا في الخلايا الشمسية. ومع ذلك، فإن أداء كبريتيد الزنك يعتمد بشكل كبير على كيفية بنائه على المستوى الذري؛ فإذا كانت الذرات مرتبة بشكل عشوائي أو إذا كان الغشاء سميكاً جداً أو رقيقاً جداً، فقد يصبح المادة عكرة أو تقاوم تدفق الكهرباء، مما يجعلها عديمة الفائدة للأجهزة عالية التقنية.

وضع باحثون في جامعة جامو خطة لإيجاد الوصفة المثالية لإنشاء أغشية كبريتيد الزنك هذه. وقد استخدموا تقنية تسمى التبخير الحراري، حيث يتم تسخين مسحوق كبريتيد الزنك الصلب في فراغ حتى يتحول إلى بخار، والذي يترسب بعد ذلك على سطح زجاجي ليشكل طبقة صلبة رقيقة. ومن خلال الضبط الدقيق لمتغيرين رئيسيين — سمك الطبقة ودرجة حرارة الزجاج أثناء الترسيب — هدفوا إلى اكتشاف الظروف التي تنتج الأفلام الأكثر انتظاماً وكفاءة كهربائية. لم يكن هدفهم مجرد صنع غشاء، بل فهم كيف يؤثر الهيكل الفيزيائي للمادة، وترتيب ذراتها، وتكوينها الكيميائي بشكل مباشر على قدرتها على نقل الضوء وتوصيل الكهرباء.

قام الفريق بإنشاء سلسلة من الأفلام تتراوح سماكتها بين 100 إلى 500 نانومتر، وهو مقياس صغير جداً لدرجة أن شعرة الإنسان تزيد عنه بآلاف المرات. كما اختبروا درجات حرارة مختلفة للركيزة، حيث قاموا بتسخين الزجاج إلى مستويات مختلفة قبل وأثناء عملية الطلاء. وباستخدام مجاهر قوية وأدوات الأشعة السينية، فحصوا البنية الداخلية لكل فيلم. ووجدوا أن ترتيب الذرات لم يكن عشوائياً؛ فقد شكلت الأفلام طبيعياً بنية بلورية مكعبة مع تفضيل قوي لاتجاه محدد، تماماً مثل كومة من الطوب مصطفة جميعها في نفس الاتجاه. ومع ذلك، لم يكن هذا النظام موحداً عبر جميع العينات؛ فقد أظهرت الأفلام التي بلغ سمكها 300 نانومتر أكثر بنية بلورية اتساقاً وتنظيماً، مع حبيبات أكبر وأكثر تجانساً من النسخ الأرق أو الأكثر سمكاً.

وكشف التحليل الكيميائي أن التوازن بين ذرات الزنك والكبريت يتغير بناءً على كيفية صنع الفيلم. ففي بعض العينات، كان هناك فائض طفيف من الزنك، مما أدى إلى خلق عيوب صغيرة في الشبكة البلورية. هذه العيوب، رغم أنها تبدو كشوائب، لعبت دوراً حاسماً في السلوك الكهربائي للفيلم؛ حيث عملت الأفلام الغنية بالزنك كأشباه موصلات من النوع (n-type)، مما يعني أنها تحمل شحنة كهربائية سالبة. واكتشف الباحثون أن الفيلم الذي يبلغ سمكه 300 نانومتر، والذي تم ترسيبه عند درجة حرارة معتدلة تبلغ 323 كلفن، قدم أفضل أداء إجمالي. فقد أظهرت هذه العينة تحديداً درجة عالية من الشفافية، مما سمح بمرور ما يصل إلى 92 بالمائة من الضوء المرئي، وامتلكت فجوة طاقة مباشرة تتراوح بين 3.40 و3.50 إلكترون فولت. والأهم من ذلك، أنها سمحت للشحنات الكهربائية بالتحرك بحركية تبلغ 49.3 سنتيمتر مربع لكل فولت-ثانية، وهو مقياس لمدى سهولة انتقال الإلكترونات عبر المادة، مع الحفاظ على مقاومة كهربائية منخفضة.

ولإثبات أن هذه الأفلام يمكن أن تعمل في أجهزة إلكترونية حقيقية، قام الباحثون ببناء ثنائيات بسيطة (diodes) عن طريق وضع اتصال فضي فوق طبقة كبريتيد الزنك المُحسّنة، والتي تستقر على قاعدة زجاجية موصلة. عملت هذه الأجهزة كـ "ثنائيات حاجز شوتكي" (Schottky barrier diodes)، وهي مكونات تسمح للتيار بالتدفق بسهولة في اتجاه واحد ولكنها تمنعه في الاتجاه الآخر، وهو مطلب أساسي لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر. وقد أدت وصلات الفضة-كبريتيد الزنك أداءً استثنائياً، حيث أظهرت قدرة قوية على تقويم التيار بنسبة تقارب 6 إلى 1 عند جهد قدره فولت واحد. وتم قياس الحاجز الكهربائي عند الواجهة بين المعدن وشبه الموصل بنحو 0.67 إلى 0.72 إلكترون فولت، وهي قيمة تشير إلى اتصال عالي الجودة ومستقر. وقد أكد سلوك هذه الثنائيات أن فيلم كبريتيد الزنك الأساسي كان ذا جودة عالية، مع حد أدنى من العيوب التي تعيق تدفق الكهرباء.

خلصت الدراسة إلى أن العلاقة بين سمك الفيلم، ودرجة حرارته أثناء الإنشاء، وخصائصه النهائية هي علاقة معقدة ولكن يمكن التحكم فيها. وبينما ساعدت درجات الحرارة الأعلى الذرات على ترتيب نفسها بشكل أكثر ترتيباً في بعض الجوانب، فإن الجمع المحدد بين سمك 300 نانومتر ودرجة حرارة الركيزة البالغة 323 كلفن أنتج المادة الأكثر توازناً. جمع هذا الفيلم الأمثل بين فجوة طاقة واسعة، وشفافية عالية، وتوصيل كهربائي ممتاز، مما يجعله مرشحاً قوياً للاستخدام كطبقة نافذة أو طبقة عازلة في الخلايا الشمسية والأجهزة الإلكترية الضوئية الأخرى. ومن خلال ضبط عملية الترسيب بدقة، أثبت الباحثون أنه من الممكن تنمية أفلام كبريتيد الزنك التي لا تتميز فقط بكونها سليمة هيكلياً، بل ومتفوقة كهربائياً أيضاً، مما يقدم بديلاً واعداً وغير سام للمواد المستخدمة حالياً في الصناعة.