تأثير استبدال بعض العناصر الكيميائية على الخواص الكهربائية والحرارية والعزلية لسبائك الكالكوجينيد غير المتبلورة

الخلاصة

في هذه الدراسة، تم تصنيع مجموعتين من عينات الجالكوجينيد بهدف استكشاف تأثير التعديلات التركيبية على خصائصها الفيزيائية والكهربائية والحرارية والبصرية. تضمنت المجموعة الأولى تصنيع سبائك ثلاثية المكونات، بينما ركزت المجموعة الثانية على تحضير أغشية رقيقة.
في المجموعة الأولى، تم تصنيع أربعة أنواع من عينات السبائك الثلاثية ، وهي (S60-Se40-X-PbX), (S60-Se40-X-SbX), (S60-Se40-X-ZnX), (S60-Se40-X-BiX) مع نسب (x) تساوي 0، 10، 20، و30. بلغ العدد الإجمالي للسبائك المنتجة في المجوعة الاولى 13 سبيكة، وتم تحديد وزن كل سبيكة ليكون 5 جرامات. بدأت عملية التحضير بخلط وطحن مكونات كل سبيكة باستخدام طاحونة كهربائية لمدة 30 دقيقة لضمان تحقيق التجانس الكامل بين المكونات. بعد ذلك، وُضعت العينات في أمبولات مصنوعة من الكوارتز وتم تفريغها إلى ضغط منخفض جدًا لتجنب أي تفاعل بين مكونات السبيكة والأكسجين عند درجات الحرارة المرتفعة أثناء التسخين.
تمت عملية التسخين داخل فرن كهربائي بمعدل ارتفاع في درجة الحرارة يبلغ 4-5 كلفن/دقيقة حتى الوصول إلى درجة حرارة °C 750 وذلك حسب نوع العينات، وبعد تثبيت درجة الحرارة لمدة ساعة واحدة لضمان تكوين سبائك متجانسة تمامًا، تم استخراج المادة المصهورة وطحنها يدويًا باستخدام هاون لمدة نصف ساعة ثم تم ضغط العينات باستخدام مكبس هيدروليكي تحت ضغط يبلغ حوالي 7 أطنان لتشكيل أقراص دائرية بقطر 1.5 سم وسُمك 0.25 سم. شملت الدراسة للمجموعة الاولى من العينات تحليل الخصائص الكهربائية والحرارية والعزلية للسبائك، حيث تم قياس التوصيلية الكهربائية المستمرة والمتناوبة بالإضافة إلى الخصائص الحرارية، مثل التوصيل الحراري وكثافة تدفق الحرارة.
في المجموعة الثانية، تم تحضير أغشية رقيقة لكل مركب (S60-Se40-X-SbX) (S60-Se40-X-ZnX) و (S60-Se40-X-BiX) ، مع نسب (x = 0, 20, 30) ، وكان العدد الإجمالي للأغشية المنتجة في المجموعة الثانية 7 اغشية. تمت دراسة الخصائص البصرية لهذه الأغشية باستخدام مطياف Shimadzu UV-VIS (UV-1800) في نطاق أطوال موجية من 200 إلى 1100 نانومتر. تم حساب المعاملات البصرية الرئيسية، مثل معامل الامتصاص، فجوة الطاقة البصرية، معامل الانكسار، ومعامل الانقراض. 
أظهرت الدراسة أن الخصائص الكهربائية المستمرة لكل سبيكة تعتمد على التركيب الكيميائي. بالنسبة لسبيكة S60-Se40-X-PbX تحقق أعلى توصيلية كهربائية عند X=20 حيث يقلل الرصاص من العيوب الهيكلية ويحسن مسارات التوصيل. في سبيكة S60-Se40-X-SbX يتم تحقيق التوصيلية المثلى عند X=10 بسبب تحسين حالات الانتقال الإلكترونية. سبيكة S60-Se40-X-BiX تظهر أداء ممتازًا عند X=10 بفضل تحسين حركة حاملات الشحنة. أما سبيكة S60-Se40-X-ZnX فتصل إلى قمة التوصيلية عند X=10 حيث يساهم الزنك في تعديل هيكل الحزمة الإلكترونية.
على مستوى الطاقة عند X=30 في سبيكة S60-Se40-X-PbX تقل كثافة الحالات المحلية ويتقلص عرض ذيل الطاقة مما يشير إلى مستويات طاقة واضحة ومحددة مما يجعلها مثالية لتطبيقات أشباه الموصلات. بالنسبة لسبيكة S60-Se40-X-SbX عند X=20 تظهر نتائج متوازنة في التوزيع الطاقي مما يجعلها مناسبة للتطبيقات البصرية. أما سبيكة S60-Se40-X-ZnX فتعطي أفضل النتائج عند X=30 بفضل الكثافة العالية لحالات الطاقة الممتدة مما يجعلها مناسبة للخلايا الضوئية. وأخيرًا عند X=10 في سبيكة S60-Se40-X-BiX تظهر خصائص إلكترونية محسنة تجعلها مثالية للمستشعرات الحرارية.
أظهرت التحليلات الحرارية أن سبيكة S60-Se40-X-SbX عند X=20 تتميز بأعلى توصيلية حرارية عند 40 كلفن مما يجعلها مناسبة للأنظمة الكرايوجينية. أما سبيكة S60-Se40-X-PbX عند X=30 فأظهرت أعلى توصيلية حرارية عند 280 كلفن مما يجعلها مثالية للأجهزة الحرارية.
فيما يتعلق بالتوصيلية الكهربائية المتناوبة تحقق سبيكة S60-Se40-X-PbX أعلى قيمة عند 1 ميجاهرتز مما يجعلها مناسبة للتطبيقات عالية السرعة. أما سبيكة S60-Se40-X-BiX فتتميز بكفاءتها في الأنظمة منخفضة الفقد مما يجعلها موفرة للطاقة. 
بالنسبة للخصائص البصرية أظهرت السبائك امتصاصًا قويًا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية مما يجعلها مناسبة للتطبيقات مثل الحماية من الأشعة فوق البنفسجية والمرشحات البصرية. وأظهرت سبائك S60-Se40-X-SbX و S60-Se40-X-ZnX شفافية عالية في الضوء المرئي مما يجعلها مثالية للعدسات البصرية والخلايا الكهروضوئية. أما سبائك S60-Se40-X-BiX فتميزت بامتصاص عالي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية مع تقليل الامتصاص في الضوء المرئي مما يجعلها مناسبة لتطبيقات امتصاص الطاقة.
في تحليل فجوات الطاقة أظهرت السبيكة النقية S60-Se40 فجوة طاقة قدرها 1.7 إلكترون فولت مما يجعلها مثالية للتطبيقات البصرية مثل النوافذ. أما السبائك الأخرى مثل S60-Se40-X-SbX و S60-Se40-X-ZnX فتميزت بفجوات طاقة مناسبة لتطبيقات الكهروضوئيات والخلايا الشمسية. السبائك ذات فجوات الطاقة الأقل مثل S60-Se40-X-BiX كانت مثالية للتطبيقات الحرارية.
تُبرز هذه الدراسة الأهمية الكبيرة للتعديلات التركيبية على الخصائص الفيزيائية والبصرية للسبائك والأغشية الرقيقة. وقد أظهرت النتائج أن استبدال السيلينيوم بعناصر مثل Pb، Sb، Zn، وBi يؤدي إلى تغييرات جوهرية في الخصائص الكهربائية، الحرارية، والبصرية، العزلية ، مما يجعل هذه المواد ذات أهمية كبيرة للتطبيقات الصناعية المتقدمة، مثل الإلكترونيات البصرية والمواد ذات الموصلية الحرارية العالية.