اسم الباحث:زينب علي الحسن

اسم المشرف:أ.د. عبد الرزاق الصوفي  –   أ.د عبد الله رستناوي

العنوان:

تحضير وتو صيف طبقات من النمط شوتكي واستخدامها ككاشف نووي

العنوان باللغة الإنكليزية:

Preparation and Description of Schottky Layers and Using it as a nuclear detector

العام:2025

القسم:الفيزياء

الملخص:

استقطبت كواشف شوتكي اهتماماً كبيراً في السنوات الأخيرة في مختلف مجالات البحث الحديثة، نظراً للخصائص الفريدة لأنصاف النواقل المستخدمة بما في ذلك المجال المحظور العريض، وحركة الإلكترونات العالية، والناقلية الحرارية الممتازة. تجعل هذه الخصائص هذه المواد مناسبة للتطبيقات الإلكترونية والضوئية ودرجات الحرارة المرتفعة. وبالتالي، تعتبر أنصاف النواقل ذات المجال المحظور العريض  مرشحة واعدة لتصنيع الأجهزة الإلكتروضوئية.

تُعدّ الكواشف الإشعاعية أساسية للعديد من التطبيقات بما في ذلك البحث العلمي، ورصد الإشعاع في المفاعلات النووية وفي مركبات الفضاء، والاستخدامات التجارية.

برز أكسيد الزنك كمادة واعدة لتطبيقات الكواشف الضوئية والإشعاعية نظراً لاستجابته العالية للإشعاع. لذا كان الدافع لهذه الدراسة تحضير طبقات من أكسيد الزنك ذات سماكات عالية، بالإضافة لتحضير كاشف إشعاعي من النمط  (Metal-Semiconductor). ودراسة تأثير بعض شروط التحضير على أداء الكاشف المحضر.

في الجزء الأول من هذا العمل حُضرت طبقات من أكسيد الزنك بإضافة مذيب رباعي هيدروفوران، وتم فحص تأثير هذا المذيب على بنية الأوكسيد، وكشف عن أن وجوده يزيد من شواغر الأوكسجين والعيوب مما يعزز الخصائص الإشعاعية للمادة. بالإضافة إلى ذلك، تّمت دراسة تأثير بعض بارامترات التحضير المختلفة على خصائص طبقات أوكسيد الزنك المحضر بطريقة الطلاء بالبخ. حُضرت طبقات من أوكسيد الزنك ذات سماكات مختلفة، ووصفت خصائصها البنيوية والضوئية. أشار تحليل انعراج الأشعة السينية XRD إلى أن الطبقات تبلورت وفق بنية بلورية سداسية، تنتمي إلى المجموعة الفراغية  . لوحظ أن حجم الحبيبات يتناقص مع زيادة السماكة بسبب زيادة معامل الإجهاد البلوري، حيث تشكلت أصغر الحبيبات عند سماكة  ،وقد أظهرت الطبقات المحضرة عند هذه السماكة  أفضل الخصائص البنيوية والكهربائية.

في الجزء الثاني، تم تصنيع كاشف إشعاعي مؤلف من طبقة أوكسيد الزنك من النمط  بسماكة  مرسبة على شرائح نحاسية ورسب على الطبقة نصف الناقلة طبقة رقيقة من الألمنيوم لتأمين اتصال شوتكي. تم توصيف الكاشف كهربائياً وإشعاعياً. دُرس تأثير الإشعاع على الخصائص الكهربائية على فترات زمنية متباعدة. يُبدي الديود ككاشف تيار سلوكاً تقويمياً واضحاً في حالتي قبل التشعيع وبعده. انخفض جهد الانهيار ونسبة التصحيح، بينما ازداد تيار التسرب مع التشعيع عند أزمنة التقادم المختلفة، ولوحظ ازديادهما بازدياد السماكة بوجود الإشعاع. إن ارتفاع حاجز الكمون يختلف من كاشف لآخر ولكن بعد التشعيع يزداد مع تناقص تيار الإشباع، ومع ازدياد سماكة الكواشف كان يتناقص ارتفاع الحاجز قبل التشعيع وبعده مع ازدياد تيار الإشباع. زادت مقاومة الديود المحسوبة من الميزة  إلى قيمة عظمى قبل الانخفاض، ومع ذلك ظلت قيم ما بعد التشعيع أقل مما قبل التشعيع. مقاومة الديود تزداد بازدياد السماكة قبل التشعيع وبعده، وقد بلغت أعظم قيمة لها عند سماكة  وهي . كان جهد التشغيل بعد التشعيع  أما قبل التشعيع كانت مختلفة من كاشف لآخر ومختلفة أيضاً باختلاف زمن التقادم، وازداد جهد التشغيل بازدياد السماكة قبل التشعيع وبعده. وجُد أن قيم عامل المثالية كانت مختلفة مع اختلاف الكاشف المصنع ومع اختلاف زمن التقادم، لكن تبقى قيمه أكبر بعد التشعيع وبلغ أعظم قيمة له عند زمن تقادم  أيام، ويتناقص مع زيادة السماكة. تمت دراسة الخصائص الكهربائية اعتماداً على نظرية الانبعاث بالتأين الحراري ونظرية Cheung- Cheung حيث تناقصت قيم ارتفاع حاجز الكمون والمقاومة المتسلسلة وثابتة سلوك الوجه البيني لجميع الكواشف عند أزمنة التقادم المختلفة بكلا النظريتين بعد التشعيع، كما وجد تطابق بالقيم بين النظريتين. كشفت نظرية Nord أيضاً عن انخفاض في ارتفاع حاجز الكمون والمقاومة المتسلسلة بعد التشعيع، وهذه القيم تختلف عن القيم التي حصلنا عليها في طريقة الانبعاث بالتأين الحراري وطريقةCheung-Cheung، حيث تنحرف بشكل كبير عن القيم المحسوبة بالنظريتين السابقتين. في جميع الطرائق، أدت زيادة سمك الطبقة نصف الناقلة إلى ارتفاع حاجز الجهد والمقاومة المتسلسلة قبل التشعيع وبعده، لكن تبقى القيم بعد التشعيع أخفض مما كانت عليه قبل التشعيع. حُددت مناطق عمل الكاشف اعتماداً على الميزة  ، مما كشف عن ثلاث مناطق مميزة لعمل الكاشف عند مختلف الأزمنة والسماكات. كانت الآليات التي تعمل بها الكواشف هي الانبعاث بالتأين الحراري وظاهرة النفق وتيار المحدود بالشحنة الفضائية.

في الجزء الثالث تمت دراسة الخصائص الإشعاعية للكاشف المصنع، لوحظ ارتباط خطي بين الجهد المطبق وزمن التشعيع، ازدادت الاستجابة الإشعاعية مع ازدياد زمن التشعيع ووصلت إلى قيمة عظمى قبل أن تتناقص. وقد بلغت أعظم قيمة لها لأحد الكواشف  عند زمن تقادم قدره  أيام. ازداد تيار التشعيع بازدياد زمن التشعيع، وارتفعت الاستجابة الإشعاعية مع ازدياد سماكة الكاشف المصنع وقد بلغت أعظم قيمة لها  عند أعظم سماكة  . أشارت تكرارية تيار التشعيع إلى وجود اختلاف قيم التيار مع اختلاف أزمنة التقادم، بينما ظلت حساسية الإشعاع لجميع الكواشف متطابقة عند أزمنة تقادم والسماكات مختلفة.

في الجزء الرابع درس تأثير درجة الحرارة على الخصائص الكهربائية والإشعاعية، أظهرت جميع الكواشف سلوك تصحيح غير خطي. أشارت الميزة  إلى أعظم جهد الانهيار  قبل التشعيع،   بعد التشعيع. انخفضت نسبة التصحيح وتيار التسرب وجهد التشغيل مع زيادة درجة الحرارة بعد التشعيع، بينما انخفض ارتفاع حاجز الكمون ومقاومة الكاشف وازدادت ثابتة سلوك الوجه البيني وعامل المثالية ونسبة التصحيح قبل التشعيع وبعده لجميع الكواشف. دُرست الخصائص الكهربائية اعتماداً على نظرية الانبعاث بالتأين الحراري ونظرية Cheung- Cheung مؤكدة أن ارتفاع حاجز الكمون والمقاومة المتسلسلة، وثابتة سلوك الوجه البيني انخفضت مع ارتفاع درجة الحرارة سواء قبل التشعيع وبعده، لكن كانت دوماً القيم بعد التشعيع أقل. أنتجت كلتا النظريتين نتائج متسقة، والقيم التي حصلنا عليها منهما كنت أقرب للقيم النظرية لذلك تعّد هاتان النظريتان هما الأفضل لدراسة كواشف شوتكي. وفقاً لنظرية Nord، كان ارتفاع حاجز الكمون والمقاومة المتسلسلة أقل من القيم وفق النظريتين TL وCheung- Cheung، وانخفضا مع ازدياد درجة الحرارة وبعد التشعيع عما قبله. تم تحديد آليات النقل السائدة على أنها الانبعاث الحراري وظاهرة النفق.

من مخطط ريتشاردسون، حُدد ثابت ريتشاردسون عند درجات الحرارة   بقيم   قبل التشعيع و  بعد التشعيع، وهو ما يتطابق بشكل وثيق مع التوقعات النظرية، مما يشير إلى تجانس كبير الحاجز. كما بلغت قيمة طاقة التنشيط  قبل التشعيع و  وبعد التشعيع . ازدادت الاستجابة الإشعاعية للكاشف وزمن الاستجابة والحساسية مع زيادة درجة الحرارة. كما لوحظت علاقة بين تيار التشعيع وجرعة الإشعاع الممتصة، مما يؤكد أن ارتفاع تيار التشعيع يتوافق مع جرعات ممتصة أعلى.

الكلمات المفتاحية: أوكسيد الزنك، طريقة البخ بالطلاء، نسبة التقويم، ارتفاع حاجز الكمون، عامل المثالية، المقاومة المتسلسلة.

تحميل البحث