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

सूर्य का प्रकाश एक शक्तिशाली संसाधन है, लेकिन इसे कुशलतापूर्वक पकड़ने के लिए ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो एक स्पष्ट, सुरक्षात्मक खिड़की के रूप में कार्य कर सकें और साथ ही बिजली को स्वतंत्र रूप से बहने भी दें। सौर ऊर्जा और इलेक्ट्रॉनिक सेंसर की दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर ऐसे अर्धचालकों (सेमीकंडक्टर्स) की तलाश करते हैं जो दृश्य प्रकाश के प्रति पारदर्शी हों और फिर सक्रिय होने पर विद्युत धारा का संचालन करने में सक्षम हों। ऐसा ही एक पदार्थ जिंक सल्फाइड है, जो जिंक और सल्फर परमाणुओं से बना एक यौगिक है। यह स्वाभाविक रूप से प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है, गैर-विषाक्त है, और इसमें एक विस्तृत ऊर्जा अंतराल (एनर्जी गैप) है जो इसे प्रकाश को अवशोषित किए बिना गुजरने देने के लिए आदर्श बनाता है, जो सौर सेल की ऊपरी परतों के लिए एक आवश्यक गुण है। हालाँकि, जिंक सल्फाइड का प्रदर्शन इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता है कि इसे परमाणु स्तर पर कैसे बनाया गया है। यदि परमाणु अव्यवस्थित रूप से व्यवस्थित हैं या यदि फिल्म बहुत मोटी या बहुत पतली है, तो पदार्थ धुंधला हो सकता है या बिजली के प्रवाह का विरोध कर सकता है, जिससे यह उच्च तकनीक वाले उपकरणों के लिए बेकार हो जाता है।

जम्मू विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इन जिंक सल्फाइड फिल्मों को बनाने के लिए एक सटीक नुस्खा खोजने का लक्ष्य रखा। उन्होंने थर्मल इवेपोरेशन (ऊष्मीय वाष्पीकरण) नामक एक तकनीक का उपयोग किया, जहाँ ठोस जिंक सल्फाइड पाउडर को वैक्यूम में तब तक गर्म किया जाता है जब तक कि वह वाष्प में न बदल जाए, जो फिर एक कांच की सतह पर एक पतली, ठोस परत बनाने के लिए जम जाता है। दो मुख्य चरों—परत की मोटाई और निक्षेपण (डेपोजिशन) के दौरान कांच के तापमान—को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उनका लक्ष्य यह पता लगाना था कि किन परिस्थितियों में सबसे अधिक व्यवस्थित और विद्युत रूप से कुशल फिल्में प्राप्त होती हैं। उनका लक्ष्य केवल एक फिल्म बनाना नहीं था, बल्कि यह समझना भी था कि सामग्री की भौतिक संरचना, इसके परमाणुओं की व्यवस्था और इसकी रासायनिक संरचना सीधे तौर पर इसके प्रकाश संचारित करने और बिजली का संचालन करने की क्षमता को कैसे प्रभावित करती है।

टीम ने 100 से 500 नैनोमीटर की मोटाई वाली फिल्मों की एक श्रृंखला बनाई, जो एक ऐसा पैमाना है कि एक मानव बाल इससे हजारों गुना चौड़ा होता है। उन्होंने विभिन्न सबस्ट्रेट तापमानों का भी परीक्षण किया, जिसमें कोटिंग प्रक्रिया के दौरान और उससे पहले कांच को विभिन्न स्तरों तक गर्म किया गया। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे उपकरणों का उपयोग करके, उन्होंने प्रत्येक फिल्म की आंतरिक संरचना का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि परमाणुओं की व्यवस्था यादृच्छिक (रैंडम) नहीं थी; फिल्मों ने स्वाभाविक रूप से एक क्यूबिक क्रिस्टल संरचना बनाई, जिसमें एक विशिष्ट ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) के प्रति मजबूत झुकाव था, ठीक वैसे ही जैसे ईंटों का एक ढेर जो सभी एक ही दिशा में संरेखित होते हैं। हालाँकि, यह व्यवस्था सभी नमूनों में एक समान नहीं थी। 300 नैनोमीटर मोटी फिल्मों ने सबसे सुसंगत और सुव्यवस्थित क्रिस्टल संरचना दिखाई, जिनमें पतली या मोटी संस्करणों की तुलना में बड़े और अधिक एकसमान दाने (ग्रेन्स) थे।

रासायनिक विश्लेषण से पता चला कि जिंक और सल्फर परमाणुओं का संतुलन इस बात पर निर्भर करता है कि फिल्म कैसे बनाई गई है। कुछ नमलों में, जिंक की थोड़ी अधिकता थी, जिसने क्रिस्टल लैटिस में सूक्ष्म दोष उत्पन्न किए। ये दोष, हालांकि दिखने में खामियां लग सकते हैं, वास्तव में फिल्म के विद्युत व्यवहार में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। जिंक-समृद्ध फिल्में एन-टाइप (n-type) अर्धचालक के रूप में कार्य करती हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक ऋणात्मक विद्युत आवेश ले जाती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि 323 केल्विन के मध्यम तापमान पर जमा की गई 300-नैनोमीटर मोटी फिल्म ने सबसे अच्छा समग्र प्रदर्शन प्रदान किया। इस विशिष्ट नमूने ने उच्च स्तर की पारदर्शिता प्रदर्शित की, जिससे 92 प्रतिशत तक दृश्य प्रकाश गुजर सका, और इसमें 3.40 से 3.50 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच एक सीधा ऊर्जा अंतराल था। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि इसने विद्युत आवेशों को 49.3 वर्ग सेंटीमीटर प्रति वोल्ट-सेकंड की गतिशीलता (मोबिलिटी) के साथ प्रवाहित होने दिया, जो कि इस बात का माप है कि इलेक्ट्रॉन सामग्री के माध्यम से कितनी आसानी से यात्रा कर सकते हैं, जबकि कम विद्युत प्रतिरोध बनाए रखा।

यह सिद्ध करने के लिए कि ये फिल्में वास्तविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में कार्य कर सकती हैं, शोधकर्ताओं ने एक चालक कांच के आधार पर जिंक सल्फाइड की अनुकूलित परत के ऊपर चांदी का संपर्क (सिल्वर कॉन्टैक्ट) रखकर सरल डायोड बनाए। ये उपकरण शॉटकी बैरियर डायोड (Schottky barrier diodes) के रूप में कार्य करते हैं, जो ऐसे घटक हैं जो करंट को एक दिशा में आसानी से बहने देते हैं लेकिन दूसरी दिशा में इसे रोक देते हैं, जो अल्टरनेटिंग करंट को डायरेक्ट करंट में बदलने के लिए एक मौलिक आवश्यकता है। सिल्वर-जिंक सल्फाइड जंक्शनों ने असाधारण प्रदर्शन किया, जो एक वोल्ट के वोल्टेज पर लगभग 6 से 1 के अनुपात के साथ करंट को सुधारने (रेक्टिफाई करने) की मजबूत क्षमता दिखाते हैं। धातु और अर्धचालक के बीच के इंटरफेस पर विद्युत अवरोध को लगभग 0.67 से 0.72 इलेक्ट्रॉन वोल्ट मापा गया था, जो एक उच्च-गुणवत्ता वाला, स्थिर संबंध दर्शाता है। डायोड के व्यवहार ने पुष्टि की कि अंतर्नि는 जिंक सल्फाइड फिल्म उच्च गुणवत्ता की थी, जिसमें बिजली के प्रवाह में न्यूनतम दोष बाधा डाल रहे थे।

अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि फिल्म की मोटाई, इसके निर्माण के दौरान तापमान और इसके अंतिम गुणों के बीच का संबंध जटिल है लेकिन प्रबंधनीय है। जबकि उच्च तापमान ने कुछ तरीकों से परमाणुओं को अधिक सुव्यवस्थित रूप से व्यवस्थित होने में मदद की, 300-नैनोमीटर की मोटाई और 323 केल्विन के सबस्ट्रेट तापमान का विशिष्ट संयोजन सबसे संतुलित सामग्री का उत्पादन करता है। इस इष्टतम फिल्म ने एक विस्तृत ऊर्जा अंतराल, उच्च पारदर्शिता और उत्कृष्ट विद्युत चालकता को संयोजित किया, जो इसे सौर सेल और अन्य ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में विंडो या बफर परत के रूप में उपयोग के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाता है। निक्षेपण प्रक्रिया को सूक्ष्म रूप से ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि ऐसी जिंक सल्फाइड फिल्में उगाना संभव है जो न केवल संरचनात्मक रूप से सुदृढ़ हैं, बल्कि विद्युत रूप से भी श्रेष्ठ हैं, जो उद्योग में वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले अन्य पदार्थों के लिए एक आशाजनक, गैर-विषाक्त विकल्प प्रदान करती हैं।