Structural, Electrical and Optical Properties of Zno and Zno:co Nanostructures Thin Films for Optoelectronic Applications

أصبح أكسيد الزنك مادة أصبحت، بهدوء، ركيزة أساسية في التكنولوجيا الحديثة. وهو عبارة عن مسحوق أبيض، عندما يتم تشكيله في أغشية رقيقة وشفافة، يعمل كأشباه موصلات؛ وهي مادة يمكنها توصيل الكهرباء تحت ظروف معينة ولكنها تمنعها أيضًا عند الحاجة. هذه الطبيعة المزدوجة تجعله مثاليًا للأجهزة التي تحتاج إلى استشعار الضوء، أو تحويل الطاقة، أو تخزين المعلومات. ومع ذلك، فإن أكسيد الزنك النقي له حدود؛ فقدرته على التفاعل مع الضوء ثابتة ضمن نطاق محدد، وسلوكه الكهربائي يمكن أن يكون بسيطًا للغاية للمهام المعقدة. وللتغلب على هذه الحدود، غالبًا ما يخلط العلماء كميات ضئيلة من عناصر أخرى، وهي عملية تسمى "التطعيم". ومن خلال إدخال ذرات غريبة في البنية البلورية، يمكنهم تعديل خصائص المادة، تمامًا مثل إضافة رشة ملح لتغيير نكهة الطبق. أحد هذه العناصر هو الكوبالت، وهو معدن معروف بخصائصه المغناطيسية. وعند إضافة الكوبالت إلى أكسيد الزنك، يأمل الباحثون في إنشاء مادة لا تكتفي بتوصيل الكهرباء والاستجابة للضوب فح، بل تمتلك أيضًا خصائص مغناطيسية، مما قد يؤدي إلى أنواع جديدة من الأجهزة الإلكترونية تكون أسرع، وأصغر حجمًا، وأكثر تنوعًا.

وضع فريق من الباحثين في الجامعة الوطنية في كولومبيا والجامعة المركزية نصب أعينهم استكشاف كيف يغير الكوبالت أكسيد الزنك بدقة عند دمجهما معًا في أغشية رقيقة. وقد صنعوا هذه الأغشية باستخدام تقنية تسمى "الترسيب بالرش المغناطيسي المستمر" (DC magnetron co-sputtering)، وهي طريقة يصطدم فيها شعاع قوي من ذرات الغاز بأهداف مصنوعة من أكسيد الزنك والكوبالت، مما يؤدي إلى اقتلاع الذرات لتطير فوق سطح وتستقر في طبقة رقيقة. وقد قاموا بترسيب هذه الطبقات على الزجاج والتيتانيوم، فخلقوا نوعين من العينات: أحدهما مصنوع من أكسيد الزنك النقي، والآخر حيث تم خلط كمية صغيرة من الكوبالت أثناء العملية. وكان الهدف هو معرفة كيف غيرت هذه الإضافة البنية الداخلية للمادة، وقدرتها على تمرير الضوء، وكيفية انتقال الكهرباء من خلالها.

عندما فحص الباحثون البنية الداخلية للأغشية، وجدوا أن الكوبالت لم يدمر الترتيب الأساسي لذرات أكسيد الزنك. فقد احتفظت المادة بشكلها البلوري السداسي، المعروف باسم بنية "وورتزيت" (wurtzite)، وهو الشكل القياسي لأكسيد الزنك. ومع ذلك، تسبب وجود الكوبالت في حدوث تحولات طفيفة؛ حيث حلت ذرات الكوبالت محل ذرات الزنك داخل الشبكة البلورية، مما خلق توترًا بسيطًا جعل الذرات تتكدس بشكل أقرب قليلاً مما هي عليه في الفيلم النقي. كما جعل هذا الخلط سطح الفيلم أكثر خشونة. فبينما نما فيلم أكسيد الزنك النقي كطبقة ملساء ومتماسكة نسبيًا، أصبح النسخة المطعمة بالكوبالت أكثر حبيبية وغير منتظمة، مع وجود حبيبات أصغر ومتكتلة. ويشير هذا التغيير في الملمس إلى أن ذرات الكوبالت غيرت طريقة نمو الفيلم، وغيرت كيفية تشكل البلورات الصغيرة وانضمامها معًا على السطح.

ظهرت التغييرات الأكثر لفتاً للنظر عندما درس الفريق كيفية تفاعل الأغشية مع الضوء. فمن المعروف أن أكسيد الزنك النقي يتميز بفجوة طاقة واسعة، مما يعني أنه يمتص فقط الضوء عالي الطاقة، مثل الأشعة فوق البنفسجية، ويظل شفافًا للضوء المرئي. ووجد الباحثون أن إضافة الكوبالت قلصت هذه الفجوة بشكل كبير؛ حيث انخفضت الطاقة المطلوبة لامتصاص الضوء من 3.16 إلكترون فولت إلى 2.70 إلكترون فولت. وهذا التحول يعني أن الفيلم المطعّم يمكنه الآن امتصاص نطاق أوسع من الضوء، ليمتد أبعد في الطيف المرئي. يحدث هذا لأن ذرات الكوبالت تقدم مستويات طاقة جديدة داخل المادة، مما يسمح للإلكترونات بالقفز بينها بسهولة أكبر. بالإضافة إلى ذلك، حسب الباحثون أن الفيلم المطعّم بالكوبالت كان أقل سمكًا قليلاً من الفيلم النقي، حيث بلغ حوالي 93 نانومتر مقارنة بحوالي 100 نانومتر للعينة النقية، وهو فرق يُعزى إلى عملية النمو المتغيرة.

كما تحول السلوك الكهربائي للأغشية بطريقة تعد حاسمة لأجهزة الذاكرة. اختبر الباحثون الأغشية عن طريق تطبيق جهد كهربائي ومراقبة كيفية تغير مقاومتها. أظهر فيلم أكسيد الزنك النقي فرقًا ضيقًا جدًا بين حالته عالية المقاومة (حيث يحجب الكهرباء) وحالته منخفضة المقاومة (حيث يسمح بمرور الكهرباء). وهذا الفرق الصغير يجعل من الصعب تخزين البيانات بشكل موثوق. في المقابل، أظهر الفيلم المطعّم بالكوبالت فجوة أوسع بكثير بين هاتين الحالتين، حيث وصلت مستويات المقاومة إلى نطاق الميجا أوم. ويشير هذا الانفصال الواضح إلى أن المادة أكثر ملاءمة للاستخدام كمفتاح ذاكرة. إذ يمكن تشغيل الجهاز وإيقافه عند جهود محددة، حوالي -0.9 فولت للتشغيل و+0.5 فولت للإيقاف، مما يدل على سلوك "ثنائي القطب" (bipolar) موثوق. ومع ذلك، لاحظ الباحثون أنه مع الاستخدام المتكرر، تميل مستويات المقاومة في الفيلم المطعّم إلى الارتفاع قليلاً، مما يشير إلى أن المسارات الداخلية للكهرباء لا تزال في طور التطور وقد تحتاج إلى مزيد من التحسين من أجل الاستقرار طويل الأمد.

أخيرًا، بحث الفريق في كيفية تأثير درجة الحرارة على تدفق الكهرباء. ووجدوا أنه في كلا الفيلمين، تتحرك الكهرباء بسهولة أكبر مع ارتفاع درجة الحرارة، وهو سلوك يُعرف بالنقل المنشط حراريًا. وهذا يعني أن الحرارة توفر الطاقة اللازمة للإلكترونات للقفز عبر الحواجز داخل المادة. ومع ذلك، تطلب الفيلم المطعّم بالكوبالت طاقة أكبر بكثير لبدء هذه العملية؛ حيث قفزت الطاقة اللازمة لتنشيط تدفق الكهرباء من 44.7 ميلي إلكترون فولت في الفيلم النقي إلى 242.91 ميلي إلكترون فولت في الفيلم المطعّم بالكوبالت. وتشير هذه الزيادة الكبيرة إلى أن ذرات الكوبالت خلقت مصائد أو حواجز جديدة وأعمق يجب على الإلكترونات التغلب عليها، مما غير بشكل جذري المشهد الذي تتحرك من خلاله حاملات الشحنة.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما لا يغير الكوبالت الشكل البلوري الأساسي لأكسيد الزنك، فإنه يغير طابع المادة بعمق. فهو يجعل السطح أكثر خشونة، ويقلص فجوة الطاقة للسماح بامتصاص مختلف للضوء، ويخلق تميزًا أقوى بين حالتي التشغيل والإيقاف الكهربائي. وهذه التغييرات، المدفوعة بالدمج الدقيق لذرات الكوبالت وما نتج عنها من اضطراب هيكلي، تشير إلى مادة يمكن ضبطها لأدوار محددة في الأجهزة الكهروضوئية المستقبلية، حيث يكون التحكم في كل من الضوء والكهرباء أمرًا ضروريًا. وتوضح هذه الدراسة أنه من خلال إدارة كيفية نمو وتطعيم هذه المواد بعناية، يمكن للعلماء هندسة أغشية رقيقة ذات خصائص مصممة خصيصًا للجيل القادم من التكنولوجيا.