5/d (73)
درباره سایت
امکانات وب
شکل (4-9) نمودار ضريب شكست براي نمونهS382
شکل (4-10) نمودار ضريب شكست براي سه نمونه S3 و S2 و S183
شکل (4-11) نمودار ضريب شكست براي نمونه S484
شکل (4-12) نمودار ضريب شكست براي نمونه S585
شکل (4-13) نمودار ضريب شكست براي نمونه S686
چکیدهامروزه مطالعات فراوانی در خصوص مواد نیمه هادی و اثر جا نشانی این مواد با مواد دیگر صورت گرفته است. ما در این پایان نامه خواص اپتیکی لایه های نازک ZnO و ZnO آلاییده شده با Mn، تهیه شده به روش سل-ژل را مطالعه کرده ایم و ناهمواریهای سطحی لایه های نازک تهیه شده را توسط میکروسکوپ هم کانونی اندازه گرفته ایم.
نتایج این تحقیق نشان می دهد که خواص اپتیکی لایه های ZnO خالص و آلاییده شده با Mn با تغییر ناهمواری سطح تغییر میکند.
واژگان کلیدی : میکروسکوپ هم کانونی، لایه های نازک، جا نشانی، سل ژل، خواص اپتیکی، ZnO
مقدمهگفته می شود که در قرن 21 سه علم در عرصه زندگی انسان پیشرو سایر علوم می گردند. این سه علم بیوتکنولوژی، نانو تکنولوژی و فن آوری اطلاعات می باشند. از این میان نانو تکنولوژی یکی از پیامدهای زندگی مدرن می باشد. نیاز های همچون سرعت بیشتر، دقت افزونتر، فضای فیزیکی و بازتر و بالاخره رفاه مناسب تر، بیشتر را متوجه استفاده از ابزار کوچک از مرتبه یک میلیاردم متر نموده است. یکی از مهم ترین عرصه های فناوری نانو، لایه های نازک می باشد. از این رو در تحقیقات و صنایع امروزی نیمه هادی ها دارای کاربردهای فراوانی هستند چون خواص اپتیکی و الکتریکی جالبی از خود نشان می دهند.
همچنین اثبات شده است که با افزودن نا خالصی به نیمه هادی ها، خواص اپتیکی و الکتریکی آنها تغییراتی پیدا کرده و عملکرد متفاوتی از خود نشان می دهند. یکی از نیمه هادی های بسیار پر کاربرد نیمه هادی اکسید روی می باشد که با توجه به خواص اپتیکی و الکتریکی خاصی که دارد کابرد های بسیاری در شاخه های مختلف علوم و فناوری را دارد. در این پایان نامه ZnO را با Mn جا نشانی کرده و پس از تهیه لایه نازک آن، نتایج این جا نشانی را بر خواص اپتیکی ZnO به دست می آوریم. اهمیت موضوع این پایان نامه در روش به کار رفته در تهیه لایه نازک می باشد که با توجه به حاصل شدن ساختار متفاوت نسبت به سایر روش های لایه نشانی، خواص اپتیکی این لایه ها اهمیت پیدا می کند.
در فصل اول مقدمه ای برلایه های نازک و انواع روشهای لایه نشانی از جمله PVD، CVD و کندوپاش و سل ژل را آورده ایم، در فصل دوم خواص اپتیکی نیمه هادی ها، تعریف نیمه هادی ها، ZnO، وتوابع دی الکتریک را مورد بحث قرار داده ایم، در فصل سوم انواع روش های مطالعه لایه های نازک و ضخامت سنجی از جمله میکروسکوپ هم کانونی، بیضی سنجی، میکروسکوپ های AFM، SEM، TEM را به اختصار بررسی کرده ایم و در فصل چهارم کارهای تجربی را آورده و در مورد نتایج بدست آمده از نمونه ها بحث کرده ایم.
فصل اول
لایه های نازک، خواص آنها و روش های ساخت آنهامقدمهبررسی خواص فیزیکی ماده در طول صد سال اخیر آن قدر پیشرفت کرده است که امروزه علم فیزیک به گروه بزرگی از شاخه های خاص که اغلب شکاف بزرگی هم بین آنها وجود دارد، تقسیم شده است. این شاخه ها در واقع به علت گستردگی بسیار خود علم به وجود آمده اند، و عملاً با بخش خاصی که مطالعه می شود، و روش بررسی و چیزهایی از این قبیل متمایز می شوند. یکی از این شاخه های مهم و مستقل که درسال های اخیر توسعه یافته فیزیک لایه های نازک است. این شاخه از فیزیک با سیستم هایی سروکار دارد که فقط یک ویژگی مشترک دارند، یعنی آنهایی که یکی از ابعاد شان بسیار کوچک است، درحالی که ممکن است سایر خواص چنین سیستم هایی و همچنین روش های بررسی آنها متفاوت باشند.
معمولاً ما در جست و جوی مشخصه های فیزیکی اجسام سه بعدی هستیم و خواص مشخصه این اجسام را هم غالباً برای واحد حجم در نظر می گیریم، یعنی فرض می کنیم که این مشخصه ها به حجم جسم بستگی ندارد. این فرض ما دام که ابعاد جسم «معمولی» یعنی کم و بیش در حد ماکروسکوپی باشد پذیرفتنی است، اما به محض این که با کوچک شدن یکی از ابعاد افزایش قابل ملاحظه ای در نسبت سطح به حجم پدید بیاید دیگر معتبر نیست. در صورت کاهش دو بعد دیگر هم تغییرات بیشتری را می توان مشاهده کرد. مثلا ذره های بسیار کوچک پخش شده در یک ماتریس یا لایه های بسیار نازک مشتمل بر نواحی مجزا بی هنجاریهای قابل ملاحظه ای را در خواصشان بروز می دهند.
اگر لایه بسیاز نازکی از یک ماده را در نظر بگیریم، با وضعی مواجه هستیم که در آن دو سطح آن قدر به هم نزدیک اند که می توانند تأثیر به سزایی روی خواص فیزیکی داخلی و فرایند های جسم بگذارند. این کاهش فاصله بین سطوح، و برهمکنش متقابل آنها می تواند به پدیده های کاملاً جدیدی بیانجامد. علاوه بر این کاهش یک بعد ماده تا مرتبه چندلایه اتمی سیستم حد فاصلی بین ماکروسیستمها و سیستم هایی مولکولی پدید می آورد و به این ترتیب روشی برای بررسی ماهیت میکروفیزیکی فرایندهای گوناگون در دسترس قرار می دهد. مطالب بالا از جمله دلایل توجه فیزیک دان ها به موضوع لایه های نازک، و اختصاص شاخه کاملی از فیزیک به این موضوع، و رشد شاخه های فناوری مربوط به آن اند.
1-1 تعریف لایه های نازکبه طور کلی لایه به ماده یا موادی گفته می شود که به صورت پوششی برروی یک سطح یا ماده می نشیند و باعث ایجاد خواص الکتریکی، فیزیکی و مکانیکی سطحی جدیدی می شود که نه خصوصیات ماده تشکیل دهنده آن را دارد و نه خصوصیات سطحی را که لایه برروی آن رسوبه شده است و خصوصیات سطحی زیر لایه را ارتقاء می بخشد. لایه های نازک را می توان به لایه های رسانا (فلزی)، لایه های نیمه رسانا، و لایه های نارسانا(عایق) از مواد معدنی و آلی تقسیم بندی کرد. در عموم روش های لایه نشانی، هنگامی که ماده از حالت توده ای به صورت ورقه خیلی نازکی از اتم ها. مولکول ها یا یون های مجزا در آیند و توسط چگالش روی سطح زیر لایه نشینند، پوششی ایجاد می شود که آن را لایه و یا فیلم می نامند. چگالش ذرات اتمی مولکولی یا یونی برای تشکیل لایه بر روی زیرلایه توسط فرآیند های فیزیکی و شیمیایی مختلفی صورت می گیرد. معمولاً اگر لایه تشکیل شده نازک باشد، خواص فیزیکی جدیدی از خود بروز می دهد که با خواص همان لایه به صورت توده ای متفاوت است که به این ترتیب می توان قابیلت های جدیدی به محصول افزود. اصولاً لایه ها و پوشش های مختلف از نقطه نظر ضخامت به سه گروه تقسیم می شوند که عبارتنداز:
1- لایه های بسیار نازک با ضخامت کمتر از 50 آنگستروم (5نانومتر) .
2-لایه های نازک با ضخامت بین 50 تا 5000 آنگستروم .
3- لایه های ضخیم با ضخامت بیش از 5000 آنگستروم[1] .
1-2 مراحل تشکیل لایه های نازکعمدتاً سازو کار مختلف چگالش لایه نازک را بسته به شدت برهمکنش بین اتم های لایه در حال رشد و بین اتم های لایه و زیر لایه می توان تشخیص داد:
الف)رشد لایه به لایه (سازوکار وَن در مرو)1
-13335393964
1. Van der merwe
ب) هسته بندی سه بعدی، تشکیل، رشد و به هم پیوستن جزیره ها (سازوکارولمر- وِبِر)1
ج)جذب سطحی تک لایه و هسته بندی بعدی روی این لایه (سازوکار استرانسکی-کراستانف)2
در بیشتر موارد سازوکار (ب) صورت می گیرد و حالا ما آن را با تفصیل بیشتری بررسی می کنیم. با مشاهده لایه ها که مستقیماً در میدان دید میکروسکوپ الکترونی تبخیر می شوند، معلوم شده است که رشد لایه را معمولاً می توان به سه مرحله مشخص تقسیم کرد. این مرحله ها عبارتند از :
1)هسته بندی، که در طول آن، هسته های کوچک تشکیل می شوند که به طور تصادفی روی سطح زیر لایه توزیع می شوند.
2)رشد هسته ها و تشکیل جزیره های بزرگتر که اغلب شکل خرده بلور ها را دارند.
3)به هم پیوستن جزیره ها و تشکیل شبکه ای کم و بیش متصل که دارای کانالهای خالی است.
نکته مهمی که باید به آن توجه داشت این است که پس از رسیدن به تراکم مشخصی از هسته ها ذرات اضافی که به سطح برخورد می کنند دیگر تشکیل هسته نمی دهند، بلکه به هسته های موجود یا به جزیره های تشکیل شده، می چسبند. فرایند هسته بندی و رشد و به هم پیوستن جزیره های جدا اهمیت بنیادی در تشکیل ساختار لایه، یعنی اندازه خرده بلور ها، جهت آنها و غیره دارند[2-3] .
1-3 خواص لایه های نازکلایه های نازک خواص بسیار جالبی دارند که متفاوت از خواص توده ای مواد تشکیل دهنده آنها می باشد. در این مبحث به بررسی رفتار لایه های نازک از دیدگاه خواص مختلف آنها پرداخته شده است که این خواص شامل الکتریکی، خواص نوری، خواص مکانیکی، خواص شیمیایی و خواص حرارتی لایه های نازک می باشد.
-13692227432
1. volmer – weber
2. stranski – krastanov
1-3-1 خواص لایه نازک :خواص لایه های نازک نظیر خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی و. . . به پارامتر های زیادی وابسته است که این پارامتر ها مربوط به روش تولید و کیفیت و نوع ماده زیر لایه خواهند بود. در مورد روش های لایه نشانی از پارامتر های مربوط به روش تولیدی می توان به میزان خلاء جریان گاز عبوری حین فرآیند رشد لایه، سرعت لایه نشانی و خلوص مواد پوشش اشاره کرد[4] .
1-3-2 خواص مکانیکی :یکی از خواص مهم لایه های نازک خواص مکانیکی می باشد. روش های مختلف تولید وساخت لایه های نازک، باعث ایجاد عیوب از جمله نابه جایی ها در لایه ها می شود چون در لایه های نازک این عیوب قابلیت حرکت ندارند در جای خود قفل می شوند. غلظت بالای نابه جایی ها و عدم تحرک آنها در لایه نازک سبب افزایش خواص مکانیکی نظیر سختی و مقاومت به سایش آنها می شود که قابل مقایسه با بالک ماده نیست. از طرفی، افزایش شدید غلظت نابه جایی ها موجب ایجاد تنش در ساختار لایه نازک می شود و از آنجا که مقداری تنش حرارتی نیز در لایه نازک ایجاد می شود که مقدار آن تابع اختلاف دمای لایه نشانی و دمای کاربردی لایه نازک می باشد (نظیر روش های CVD و PVD که در ادامه توضیح داده خواهد شد. )معمولاًبیشتر روش های لایه نشانی در دمای بالاتر از دمای محیط استفاده می شوند. رفتار مکانیکی لایه های نازک مانند استحکام و چسبندگی آنها سهم به سزایی در کارایی لایه های نازک دارد. عوامل مؤثر بر خواص مکانیکی شامل اندازه و شکل دانه های تشکیل شده درون لایه ها، حضور شخصی جاها، نابه جایی ها، خلل و فرج و. . . می باشد.
تنش نوع اول، به این دلیل ایجاد می شود که اکثر فرآیند های لایه نشانی در دمای بالا انجام می شود و چون مواد مختلف، ضرایب انبساط گرمایی متفاوتی دارند، در هنگام لایه نشانی بین لایه، لایه های نازک به دو نوع تنش های گرمایی و تنش های ذاتی تقسیم می شود. دومین نوع تنش که به تنش ذاتی یا داخلی معروف است به عواملی چون فرایند های رشد غیر تعادلی بستگی دارد و موجب تشکیل ساختار های غیر تعادلی می شود. از دیگر خواص مکانیکی لایه های نازک استقامت کششی لایه های نازک می باشد که به طور کلی استقامت کششی لایه، تابع ضخامت لایه است[5] .
1-3-3 خواص الکتریکیبررسی خواص الکتریکی مواد عمدتاً بر اساس نظریه نواری صورت می گیرد که در آن تراز های انرژی الکترونی و چگالی حالت ها، فلز یا نیم رسانا و یا عایق بودن ماده را تعیین می کنند. این تراز های انرژی در توده مواد و در سطح مربوط به لایه های نازک با یکدیگر متفاوتند. به این ترتیب که برخی تراز های انرژی ممنوعه در حالت توده مواد تبدیل به ترازهای گسسته مجاز می شوند. همچنین در فصل مشترکی که دو سطح با یکدیگر بر همکنش دارند، ترازهای انرژی دیگری را تحت تأثیر قرار می دهند. در مورد لایه های نازک علاوه بر این که تعداد حامل های بار کاهش می یابد، به علت کاهش ضخامت لایه، حرکت الکترونها نیز محدود می شود. فاصله یک انحراف از مسیر حرکت تا انحراف دیگر را طول پویش آزاد میانگین می نامند که رسانایی ماده تابع این پارامتر می باشد. ضخامت لایه نازک می تواند کمتر از طول پویش آزاد آن گردد، در این حالت الکترون ها دائماً با دیواره لایه نازک برخورد می کند و رسانایی ماده بسیار کاهش می باید و این به معنی افزایش شدید مقاومت الکتریکی لایه نازک خواهد بود. در لایه های نازک فلزی، مقاومت الکتریکی بیشتر از بالک ماده است که این میزان با افزایش ضخامت لایه نازک، کاهش پیدا می کند[6] .
در ساخت لایه های نازک سه نوع ساختار می تواند ایجاد شود:
1- لایه ساختار کاملاً منسجم داشته باشد.
2- لایه دارای تخلخل باشد.
3- لایه به صورت ذرات جدا از هم تشکیل شود. خواص الکتریکی لایه های نازک شدیداً به ساختار آن بستگی دارد. در این میان بهترین رسانایی مربوط به لایه های نازک منسجم و کمترین میزان رسانایی در لایه های با ذرات جدا از هم می باشد. در لایه های فلزی منسجم نیز، رسانایی بسیار بیشتر از لایه های فلزی غیر منسجم می باشد. اما بر خلاف لایه های فلزی منسجم، با افزایش دما رسانایی لایه های فلزی غیر منسجم افزایش می یابد[7] .
1-3-4 خواص مغناطیسی :در لایه های نازک آثار پارا مغناطیسی و دیا مغناطیسی به قدری ضعیف است که به سختی آشکار می شود. خواص فرو مغناطیسی به دمای زیر لایه، آهنگ لایه نشانی و اجزای سازنده بستگی دارد.
خاصیت مغناطیسی لایه های نازک به شدت به مرفولوژی و میکروساختار و تا حدودی به شکل هندسی لایه بستگی دارد[8] .
1-3-5 خواص نوریمعمولاً برای لایه نشانی با اهداف نوری، از روش های فیزیکی استفاده می شود و در مباحث خواص نوری در لایه های نازک، بیشترین کاربرد مربوط به سیستم های چندلایه است که با ترکیب چندلایه با ضخامت ها و ضریب شکست های متفاوت می توان در کاربرد های وسیعی نظیر آینه ها و لایه های ضد انعکاس می توان کاربرد های متفاوتی را ایجاد نمود[9] .
1-3-6 خواص شیمیایی :در لایه های نازک به علت سطح تماس زیاد لایه با محیط، واکنش پذیری لایه نسبت به ماده افزایش می یابد، لذا از این خاصیت لایه های نازک می توان به عنوان سنسور شناسایی مواد شیمیایی استفاده نمود[10] .
1-3-7 خواص حرارتی :لایه های نازک از آنجا که نسبت سطح به حجم بالایی دارند لذا تعداد اتم های سطحی آنها بیشتر است و چون اتم های سطحی ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتم درون شبکه دارند، به همین دلیل دمای ذوب لایه نازک کمتر از دمای ذوب همان ماده در حالت بالک ماده می باشد.
از بررسی خواص لایه های نازک نتیجه می گیریم که در بررسی خواص لایه های نازک مشخص است که خواص لایه نسبت به توده ماده رفتار متفاوتی از خود نشان می دهد. خواص الکتریکی وابسته به نوع عیوب ایجاد شده خواهد بود. در بحث خواص الکتریکی لایه های نازک گفته شد که رسانایی الکتریکی لایه با کاهش ضخامت آن، کاهش می یابد و در مقابل میزان مقاومت الکتریکی در لایه های نازکتر، مقادیر بزرگتری خواهد داشت. با کاهش ضخامت لایه های نازک میزان مغناطیس شدن آنها نیز کم می شود و در مورد خواص نوری، با کاهش ضخامت لایه، جذب نور در آن افزایش خواهد داشت. همچنین به علت افزایش میزان سطح به حجم در لایه های نازک، تغییر دما و واکنش شیمیایی نسبت به توده ماده با سرعت بیشتری انجام خواهد گرفت[11] .
1-4 روش های تهیه لایه های نازکروش هایی را که برای ساخت لایه های نازک مورد استفاده قرار می گیرد، می توان به شش گروه اصلی دسته بندی کرد :
1- روش های رسوب فیزیکی بخار PVD
2- روش های رسوب شیمیایی بخار CVD
3- روش های رسوب به کمک باریکه یونی
4- روش های اپی تکسی باریکه مولکولی MBE
5- روش های رسوب با پالس لیزر PLD
6- روش های حمام شیمیایی CBD
1-5 رسوب فیزیکی بخار PVD :فرایند رسوب فیزیکی بخار(PVD) در ابتدا فقط برای رسوب دادن بخار فلزات توسط انتقال در خلاء و بدون انجام واکنش شیمیایی مورد استفاده قرار می گرفته است.
سیستم و فرایند PVD از کارایی بسیار بالایی برخوردار بوده و دامنه وسیعی از متغیر ها را در بر می گیرد که برخی از آنها شامل واکنش های شیمیایی نیز می باشد. از این فرایند برای تولید رسوب هایی از فلزات خاص، آلیاژ ها، ترکیبات و سرامیک ها برروی تقریباً انواع مختلف زیر لایه ها با شکل های مختلف استفاده می شود. سرعت تشکیل پوشش در این روش تا 50 میکرون در دقیقه می رسد، دامنه کاربرد این روش در تمام زمینه های صنعتی و تکنولوژی برای ایجاد خواص سطحی مانند خواص الکتریکی نوری، مکانیکی، شیمیایی و غیره است. مهم ترین روش های فیزیکی در ساخت لایه های نازک عبارتند از [12] :
1)روش تبخیر حرارتی
2)روش کند و پاش (اسپاترینگ)1
1-6 روش تبخیر حرارتی :در روش تبخیر حرارتی از یک منبع بخار و یک زیر لایه در یک محفظه خلاء استفاده می شود. محفظه تا فشاری معمولاً کمتر از 5 تا 10 تور تخلیه می شود. منبع بخار معمولاً یک بوته گرم شده است. بدین ترتیب ماده پوشش به صورت بخار در آمده و اتم های بخار در خط مستقیم به سمت زیر لایه حرکت کرده برروی آن کندانس شده و رسوب می کند. تبخیر حرارتی مواد به صورت های مختلفی انجام می شود از جمله :
1-6-1 تبخیر حرارتی مقاومتیساده ترین روش برای تبخیر مواد استفاده از روش تبخیر حرارتی مقاومتی است. در این روش از یک بوته تبخیر از جنس فلزات مقاوم مانند تنگستن(w)، تانتالوم (Ta) و. . . که دارای نقطه ذوب بالایی هستند، برای تبخیر مواد استفاده می شود[13] .
1-6-2 روش تبخیر حرارتی پرتو الکترونی :-35560818251چشمه تبخیری جدیدتر و کارامد تر، تبخیر با پرتو الکترونی است. از این روش برای تبخیر موادی از قبیل اکسید ها، فلزات مقاوم، نیمه رسانا ها و عایق ها استفاده شده است. ماده مورد نظر در داخل یک بوته مناسب که به وسیله جریان آب خنک می شود قرار داده
1. sputtringمی شود، سپس تفنگ الکترونی، پرتوی از الکترون را ساتع می کند که با اعمال ولتاژ زیاد، دارای انرژی جنبشی زیادی می شوند و با هدایت و کانونی شدن روی سطح ماده می تواند ماده را گرم و در نهایت تبخیر برروی بستره جایگذاری کند، در واقع سمت مرکزی ماده هدف با پرتو الکترون گرم و تبخیر می شود، دیواره های ماده که با بوته در تماس هستند با جریان آب سرد خنک می شود و جریان آب سرد باعث می شود تا واکنش های ناخواسته بین مواد مذاب و دیواره ها رخ ندهد، دسترسی به انرژی های زیاد به کمک ولتاژ زیاد، نیز امکان تبخیر مواد برگدازی مانندSio2، Tio2، ITO و. . . را فراهم می سازد[14-13] .
1-6-3 روش تبخیر حرارتی لیزریدر روش رسوب با لیزر، یک پرتو تابش لیزری بر ماده هدف می تابد و باعث گرم شدن ماده و تبخیر آن می شود. فرآیند رسوب با لیزر می تواند به سه مرحله تقسیم گردد :
1) برهم کنش هدف با لیزر
2) توزیع حبابی شکل ذرات تبخیر شده
3) رسوب لایه
در این روش منبع ایجاد پرتو لیزری در خارج دستگاه خلاء قرار دارد و با توجه به عمق نفوذ کم لیزر، تبخیر ماده ابتدا از سطح ماده شروع می شود.
1-6-4 روش آنی تبخیردر روش آنی تبخیر با استفاده از یک سیستم تغذیه مواد جدید، مواد مورد نیاز برای فرآیند لایه نشانی به سرعت روی منبع تبخیر بسیار داغ ریخته می شود.
1-6-5 تبخیر با استفاده از قوس الکتریکی :در این روش منبع حرارتی با ایجاد قوس الکتریکی بین دو سیم از جنس ماده پوشان تأمین می گردد و به عبارت دیگر این روش مخصوص پوشش دادن مواد رسانا می باشد. قوس بین دو سیم از جنس ماده پوشان ایجاد می گردد و آنها را ذوب می کند، سپس با استفاده از یک جریان گاز ذرات برروی زیر لایه قرار می گیرند. این روش سرعت پوشش دهی بسیار بالایی دارد و نسبتاً ارزان می باشد و نیاز به گاز های گران قیمت ندارد. این پوشش ها دارای چسبندگی و پیوستگی خوبی هستند.
1-7 کند وپاشکندو پاش یکی از روش های لایه نشانی از فاز بخار است که به طور عمده برای تولید فیلم فلزات با ضخامت از نانو تا میکرو می باشد و تحت شرایط کنترل شده می توان نانو ذراتی تا حد 3 نانومتر هم به این شیوه بدست آورد. اما فرایند کندوپاش عبارت است از کندو پاش اتم ها یا مولکول های هدف و ایجاد یک فیلم با یون های یک گاز خنثی که در پلاسما ایجاد شده و در میدان ایجاد کننده پلاسما شتاب می گیرند.
لایه نشانی کندوپاش به طور ذاتی یک روش پوشش دهی خلاء است. در عمل ماده مورد نظر جهت لایه نشانی یا همان هدف در مقابل زیر لایه و در فشار اولیه 6-10 تا 10-10 تور قرار می گیرند. معمول ترین شیوه تامین یون، عبور مداوم گازی همچون آرگون است که فشار را به 1 تا 100 تور افزایش داده پلاسما را تشکیل می دهد. پتانسیل منفی بین 5/0 تا KV 5 به هدف اعمال می شود]15-17[ .
یون های شتابدار انرژی جنبشی بسیار بالایی دارند به طوری که رسیدن به این سطح انرژی با حرارت دادن به نمونه امکان پذیر است. به علاوه لایه ایجاد شده مورد اصابت ذرات مختلف اما کم انرژی مثل اتم های هدف، یون های برگشتی گاز آلاینده و غیره قرار می گیرند. بنابراین اندر کنش یون – سطح تنها منحصر به هدف نیست بلکه در سنتیک جوانه زنی و رشد فیلم نیز تاثیر به سزایی دارد و کنترل بمباران یونی در هدف، خواص و زیر ساختار فیلم را تعیین می کند]18-19[.
1-8 رسوب شیمیایی بخار CVDلایه نشانی بخار شیمیایی عبارت است از یک سری واکنش های فاز گازی که برروی یک زیر لایه جامد صورت می گیرد و موجب لایه نشانی برروی سطح آن می شود روش رسوب شیمیایی فاز بخار مستلزم رسوب گذاری ماده شامل نانوذرات از فاز گازی است. ماده آن قدر گرم می شود تا به صورت گاز درآید و سپس به صورت یک ماده جامد برروی سطح معمولاً، تحت خلاء رسوب گذاری می گردد. به عبارتی دیگر لایه نشانی بخار شیمیایی یک فرآیند شیمیایی برای ساخت مواد جامد عملیاتی با خلوص بالاست روش های رسوب شیمیایی از بخار شامل روش هایی است که در آن جریان از گاز که حاوی ترکیبات فرار ماده یا موادی است که می خواهیم پوشش دهیم، وارد یک محفظه خلاء می شود. شرایط درون این محفظه کنترل شده است به نحوی که کنترل شرایط باعث انجام واکنش های شیمیایی در نزدیکی بستر یا روی بستر می شود و پوشش مورد نظر برروی سطح تشکیل می گردد، مواد اضافی حاصل از واکنش های شیمیایی در طول فرایند از سیستم خارج می شوند، لایه های بدست آمده از این روش می تواند لایه های فلزی – آلیاژی و ترکیبات نسوز نیمه هادی باشند. پارامتر های مربوط به فرآیند نظیر دمای بستر، فشار گاز، غلظت مواد واکنش دهنده و نرخ جریان گاز تأثیر قابل توجهی بر خواص لایه بدست آمده دارند و با کنترل مناسب این پارامتر ها می توان به خواص مورد نظر دست یافت. به طور کلی واکنش هایی که در فرآیند CVD انجام می شود عبارتند از :
یک سیستم CVD به طور کلی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است :
سیستم توزیع گاز، راکتور و سیستم تخلیه، سرعت لایه نشانی در این روش نسبتاًبالاست و به حدود 10 تا 100 نانومتر در ثانیه می رسد. ضخامت لایه رسوبه شده نیز یکنواخت و بدون تأثیر از شکل بستر است که یکی از روش های متداول لایه نشانی شیمیایی بخار، رسوب شیمیایی بخار به کمک پلاسما است.
مزایای روش CVD :
1) امکان تشکیل انواع مختلف پوشش ها
2)تشکیل رسوبات با کیفیت بالا.
3)سرعت زیاد تشکیل رسوب.
محدودیت های روش CVD :
1)نیاز به دمای بالا در برخی حالات.
2)فشار های کم (پمپ خاص)
3) مشکلات حرارت دادن زیر لایه در برخی مواقع مثلاً پلاستیک ها [20] .
1-9 اپی تکسی باریکه مولکولی MBE1
در این روش، منابع عنصری از طریق حرارت دادن با نرخ کنترل شده، تبخیر شده و سپس برروی زیر لایه با دمای مناسب تقطیر می شوند. این عمل را تکنیک فوق خلاء UHV می گویند، که در آن اشعه های مولکولی با اتم های تبخیر شده برروی زیر کار متمرکز می گردند. برای اطمینان از خلوص لایه با اندازه کافی، وجود شرایط فوق خلاء (حدود 9-10 تور ) لازم است. استفاده از شرایط فوق خلاء دارای دو مزیت است، اولاً اتم ها و مولکول ها به صورت خیلی خالص به سطح رشد می رسند ثانیاً فرآیند رشد را می توان با تکنیک های تشخیص و مشاهده در حالی که بلور به صورت لایه اتمی رشد می کند، تحت نظارت و کنترل در آورد، تکنیک MBE به عنوان یک فناوری عالی جهت رشد بلوری و برای تولید ساختارهای پیچیده و متنوع و به ویژه برای ساختار های چند لایه با مبنای GaAs شناخته شده است[20]. این روش مارا قادر می سازد تا کنترل دقیقی بر صفحات لایه و نیم رخ آن داشته باشیم، البته این روش به علت استفاده از دستگاه فوق خلاء روش گران قیمتی است.
-20955273421
1. Mulecular Beam Epitaxy
1-10 لایه گذاری به وسیله پالس لیزری PLD 1 :لایه گذاری به وسیله پالس لیزری PLD یکی از روش های ارتقاء یافته PVD ست که برای بهبود کیفی لایه های اکسیدی چند جزی مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش خروجی پالس کوتاه لیزری برروی هدف جامد متمرکز شده و دمای قسمت کوچکی از هدف را بیش از دمای بخار افزایش می دهد، توده مواد بخار شده از لایه رسوب شده، لایه نازک را به وجود آورده که به وسیله تکنیک های دیگرPVD غیر قابل رسوب می باشد. در روش PVD و در حالتی که منابع تک عنصری مورد استفاده قرار گیرد، دستیابی به لایه های نازک با ترکیب استو کیومتری مشکل است، زیرا نسبت ورودی هر جز باید کالیبره شده باشند. در روش PLD ترکیب بخار همان ترکیبی می باشد که در هدف وجود دارد، بنابراین رشد رسوب لایه آسانتر می شود. توانایی پالس لیزری مواد می تواند از چند نظر مورد بررسی قرار گیرد، لیزر انرژی را در هدف ذخیره می ساخته و جذب پرتو به وسیله ماده هدف باعث داغ شدن سطح و تأثیر بر شکل آن می گردد. انرژی جذب شده در واحد حجم بستگی به عمق نفوذ چشمی، پراکندگی حرارت و نسبتی که انرژی ذخیره شده است دارد. میزان انرژی ذخیره شده توسط پهنای PL تعیین می گردد. افزایش حرارت در سطح می تواند با توجه به نسبت میزان انرژی که در ماده ذخیره شده و میزان حرارتی که از دست رفته مورد محاسبه قرار گیرد، لیزر برای نقاط ریز تمرکز نموده (به عنوان نمونه چند میلی متر مربع) تا حجم ماده ای را که باید حرارت داده شود، به حداقل رساند، که در بیشتر موارد حرارت سطحی در ماده، به دنبال ذوب و بخار به وجود می آید.
1-11 لایه نشانی حمام شیمیایی CBD 2 :روش CBD به لحاظ سادگی و اقتصادی بودن از دیر باز مورد توجه قرار گرفته است. از این روش می توان برای تهیه لایه های نازک یکنواخت نیمه هادی ها، لایه های اکسیدی و آلیاژ ها استفاده کرد. همچنین می توان سطوح بزرگ را با این روش لایه نشانی کرد. اساس این روش بدین گونه است که محلول های به وجود آورنده لایه مرکب در داخل ظرفی ریخته می شوند و بعد بستر به طور عمودی در ظرف حاوی محلول فرو برده می شود.
635359302
1. Pulsed Laser Deposition
2. Chemical Bath Deposition
ماده مورد نظر روی بستر به طور یکنواخت می نشیند. روش CBD مستلزم کنترل رسوب از محلول ماده مرکب روی بستر مناسب می باشد، محلول معمولاً در محیط قلیالی می باشد. معمولاً با تغییر PH محلول، دمای محلول و غلظت پایدار کننده، می توان ضخامت فیلم و سرعت لایه نشانی را کنترل کرد[21] .
1-12 روش لایه نشان سل ژلروشهای زیادی، از جمله رسوب فیزیکی بخار، رسوب شیمیایی بخار، کندوپاش، روش پلاسما و روش های الکتروشیمیایی وروش سل ژل از روشهای معمول برای تولید لایه های نازک هستند. اگرچه همه روشهای ذکر شده برای تولید حجم زیادی از نانو مواد استفاده می شوند، اما روش سل ژل دارای محبوبیت وکاربرد صنعتی بالاتری نسبت به سایر روش های موجود است واین امر بی علت نیست. سل ژل هم اکنون می تواند نانو ذراتی با کیفیت بالا (تولید ذرات با اندازه یکسان) را در حجمی بالا تولید کند. این روش قادراست همزمان دو یا چند نوع نانو ذره را با هم تولید کند. مفهوم این جمله این است که با مخلوط کردن پیش ماده های سنتز دو یا چند فلز (یا اکسید فلز) مختلف با نسبت های معین قادر خواهیم بود که محصولات آلیاژی را در یک مرحله سنتز کنیم. البته روش های دیگری هم هستند که قادر به انجام چنین کاری می باشند (روش پلاسما و روش های الکتروشیمیایی) ولی باید خاطر نشان کرد که در مقیاس صنعتی هیچ کدام از آنها قادر به رقابت با روش سل – ژل نیستند.
همچنین این روش قادر است به روشهای رایج که محدوده ی دمایی بسیار بالایی ( بین 1400 تا 3600 درجه سانتیگراد )دارند، لایه های نازک با کیفیت و نانو مواد سرامیکی و فلزی را در دماهای بسیار پایین تری ( حدود 70 تا 320 درجه سانتیگراد ) تولید کند.
از مزایای روش سل – ژل به اختصار می توان موارد زیر را ذکر کرد:
1) سنتز در دمای پایین.
2) سرمایه گذاری اولیه کم و در عین حال کیفیت بالای محصول.
3) تهیه محصولاتی با خلوص بالا.
4) راندمان تولید بسیار بالا.
5) ابزار انجام آن ساده است.
6) واکنش پذیری شیمیایی بالای پیش ماده ها به دلیل انجام فرآیند در فاز محلول.
7) تولید قطعات اپتیکی با شکل های پیچیده.
8) تولید مواد دارای خواص فیزیکی اصلاح شده مانند ضریب انبساط حرارتی پایین و جذب اشعه UV کم و شفافیت اپتیکی بالا.
1-12-1 مراحل فرآیند سل ژلبرای تولید محصول سل – ژل لازم است ابتدا مقدمات و شرایط لازم برای واکنش ها را فراهم نمود.
شکل (4-10) نمودار ضريب شكست براي سه نمونه S3 و S2 و S183
شکل (4-11) نمودار ضريب شكست براي نمونه S484
شکل (4-12) نمودار ضريب شكست براي نمونه S585
شکل (4-13) نمودار ضريب شكست براي نمونه S686
چکیدهامروزه مطالعات فراوانی در خصوص مواد نیمه هادی و اثر جا نشانی این مواد با مواد دیگر صورت گرفته است. ما در این پایان نامه خواص اپتیکی لایه های نازک ZnO و ZnO آلاییده شده با Mn، تهیه شده به روش سل-ژل را مطالعه کرده ایم و ناهمواریهای سطحی لایه های نازک تهیه شده را توسط میکروسکوپ هم کانونی اندازه گرفته ایم.
نتایج این تحقیق نشان می دهد که خواص اپتیکی لایه های ZnO خالص و آلاییده شده با Mn با تغییر ناهمواری سطح تغییر میکند.
واژگان کلیدی : میکروسکوپ هم کانونی، لایه های نازک، جا نشانی، سل ژل، خواص اپتیکی، ZnO
مقدمهگفته می شود که در قرن 21 سه علم در عرصه زندگی انسان پیشرو سایر علوم می گردند. این سه علم بیوتکنولوژی، نانو تکنولوژی و فن آوری اطلاعات می باشند. از این میان نانو تکنولوژی یکی از پیامدهای زندگی مدرن می باشد. نیاز های همچون سرعت بیشتر، دقت افزونتر، فضای فیزیکی و بازتر و بالاخره رفاه مناسب تر، بیشتر را متوجه استفاده از ابزار کوچک از مرتبه یک میلیاردم متر نموده است. یکی از مهم ترین عرصه های فناوری نانو، لایه های نازک می باشد. از این رو در تحقیقات و صنایع امروزی نیمه هادی ها دارای کاربردهای فراوانی هستند چون خواص اپتیکی و الکتریکی جالبی از خود نشان می دهند.
همچنین اثبات شده است که با افزودن نا خالصی به نیمه هادی ها، خواص اپتیکی و الکتریکی آنها تغییراتی پیدا کرده و عملکرد متفاوتی از خود نشان می دهند. یکی از نیمه هادی های بسیار پر کاربرد نیمه هادی اکسید روی می باشد که با توجه به خواص اپتیکی و الکتریکی خاصی که دارد کابرد های بسیاری در شاخه های مختلف علوم و فناوری را دارد. در این پایان نامه ZnO را با Mn جا نشانی کرده و پس از تهیه لایه نازک آن، نتایج این جا نشانی را بر خواص اپتیکی ZnO به دست می آوریم. اهمیت موضوع این پایان نامه در روش به کار رفته در تهیه لایه نازک می باشد که با توجه به حاصل شدن ساختار متفاوت نسبت به سایر روش های لایه نشانی، خواص اپتیکی این لایه ها اهمیت پیدا می کند.
در فصل اول مقدمه ای برلایه های نازک و انواع روشهای لایه نشانی از جمله PVD، CVD و کندوپاش و سل ژل را آورده ایم، در فصل دوم خواص اپتیکی نیمه هادی ها، تعریف نیمه هادی ها، ZnO، وتوابع دی الکتریک را مورد بحث قرار داده ایم، در فصل سوم انواع روش های مطالعه لایه های نازک و ضخامت سنجی از جمله میکروسکوپ هم کانونی، بیضی سنجی، میکروسکوپ های AFM، SEM، TEM را به اختصار بررسی کرده ایم و در فصل چهارم کارهای تجربی را آورده و در مورد نتایج بدست آمده از نمونه ها بحث کرده ایم.
فصل اول
لایه های نازک، خواص آنها و روش های ساخت آنهامقدمهبررسی خواص فیزیکی ماده در طول صد سال اخیر آن قدر پیشرفت کرده است که امروزه علم فیزیک به گروه بزرگی از شاخه های خاص که اغلب شکاف بزرگی هم بین آنها وجود دارد، تقسیم شده است. این شاخه ها در واقع به علت گستردگی بسیار خود علم به وجود آمده اند، و عملاً با بخش خاصی که مطالعه می شود، و روش بررسی و چیزهایی از این قبیل متمایز می شوند. یکی از این شاخه های مهم و مستقل که درسال های اخیر توسعه یافته فیزیک لایه های نازک است. این شاخه از فیزیک با سیستم هایی سروکار دارد که فقط یک ویژگی مشترک دارند، یعنی آنهایی که یکی از ابعاد شان بسیار کوچک است، درحالی که ممکن است سایر خواص چنین سیستم هایی و همچنین روش های بررسی آنها متفاوت باشند.
معمولاً ما در جست و جوی مشخصه های فیزیکی اجسام سه بعدی هستیم و خواص مشخصه این اجسام را هم غالباً برای واحد حجم در نظر می گیریم، یعنی فرض می کنیم که این مشخصه ها به حجم جسم بستگی ندارد. این فرض ما دام که ابعاد جسم «معمولی» یعنی کم و بیش در حد ماکروسکوپی باشد پذیرفتنی است، اما به محض این که با کوچک شدن یکی از ابعاد افزایش قابل ملاحظه ای در نسبت سطح به حجم پدید بیاید دیگر معتبر نیست. در صورت کاهش دو بعد دیگر هم تغییرات بیشتری را می توان مشاهده کرد. مثلا ذره های بسیار کوچک پخش شده در یک ماتریس یا لایه های بسیار نازک مشتمل بر نواحی مجزا بی هنجاریهای قابل ملاحظه ای را در خواصشان بروز می دهند.
اگر لایه بسیاز نازکی از یک ماده را در نظر بگیریم، با وضعی مواجه هستیم که در آن دو سطح آن قدر به هم نزدیک اند که می توانند تأثیر به سزایی روی خواص فیزیکی داخلی و فرایند های جسم بگذارند. این کاهش فاصله بین سطوح، و برهمکنش متقابل آنها می تواند به پدیده های کاملاً جدیدی بیانجامد. علاوه بر این کاهش یک بعد ماده تا مرتبه چندلایه اتمی سیستم حد فاصلی بین ماکروسیستمها و سیستم هایی مولکولی پدید می آورد و به این ترتیب روشی برای بررسی ماهیت میکروفیزیکی فرایندهای گوناگون در دسترس قرار می دهد. مطالب بالا از جمله دلایل توجه فیزیک دان ها به موضوع لایه های نازک، و اختصاص شاخه کاملی از فیزیک به این موضوع، و رشد شاخه های فناوری مربوط به آن اند.
1-1 تعریف لایه های نازکبه طور کلی لایه به ماده یا موادی گفته می شود که به صورت پوششی برروی یک سطح یا ماده می نشیند و باعث ایجاد خواص الکتریکی، فیزیکی و مکانیکی سطحی جدیدی می شود که نه خصوصیات ماده تشکیل دهنده آن را دارد و نه خصوصیات سطحی را که لایه برروی آن رسوبه شده است و خصوصیات سطحی زیر لایه را ارتقاء می بخشد. لایه های نازک را می توان به لایه های رسانا (فلزی)، لایه های نیمه رسانا، و لایه های نارسانا(عایق) از مواد معدنی و آلی تقسیم بندی کرد. در عموم روش های لایه نشانی، هنگامی که ماده از حالت توده ای به صورت ورقه خیلی نازکی از اتم ها. مولکول ها یا یون های مجزا در آیند و توسط چگالش روی سطح زیر لایه نشینند، پوششی ایجاد می شود که آن را لایه و یا فیلم می نامند. چگالش ذرات اتمی مولکولی یا یونی برای تشکیل لایه بر روی زیرلایه توسط فرآیند های فیزیکی و شیمیایی مختلفی صورت می گیرد. معمولاً اگر لایه تشکیل شده نازک باشد، خواص فیزیکی جدیدی از خود بروز می دهد که با خواص همان لایه به صورت توده ای متفاوت است که به این ترتیب می توان قابیلت های جدیدی به محصول افزود. اصولاً لایه ها و پوشش های مختلف از نقطه نظر ضخامت به سه گروه تقسیم می شوند که عبارتنداز:
1- لایه های بسیار نازک با ضخامت کمتر از 50 آنگستروم (5نانومتر) .
2-لایه های نازک با ضخامت بین 50 تا 5000 آنگستروم .
3- لایه های ضخیم با ضخامت بیش از 5000 آنگستروم[1] .
1-2 مراحل تشکیل لایه های نازکعمدتاً سازو کار مختلف چگالش لایه نازک را بسته به شدت برهمکنش بین اتم های لایه در حال رشد و بین اتم های لایه و زیر لایه می توان تشخیص داد:
الف)رشد لایه به لایه (سازوکار وَن در مرو)1
-13335393964
1. Van der merwe
ب) هسته بندی سه بعدی، تشکیل، رشد و به هم پیوستن جزیره ها (سازوکارولمر- وِبِر)1
ج)جذب سطحی تک لایه و هسته بندی بعدی روی این لایه (سازوکار استرانسکی-کراستانف)2
در بیشتر موارد سازوکار (ب) صورت می گیرد و حالا ما آن را با تفصیل بیشتری بررسی می کنیم. با مشاهده لایه ها که مستقیماً در میدان دید میکروسکوپ الکترونی تبخیر می شوند، معلوم شده است که رشد لایه را معمولاً می توان به سه مرحله مشخص تقسیم کرد. این مرحله ها عبارتند از :
1)هسته بندی، که در طول آن، هسته های کوچک تشکیل می شوند که به طور تصادفی روی سطح زیر لایه توزیع می شوند.
2)رشد هسته ها و تشکیل جزیره های بزرگتر که اغلب شکل خرده بلور ها را دارند.
3)به هم پیوستن جزیره ها و تشکیل شبکه ای کم و بیش متصل که دارای کانالهای خالی است.
نکته مهمی که باید به آن توجه داشت این است که پس از رسیدن به تراکم مشخصی از هسته ها ذرات اضافی که به سطح برخورد می کنند دیگر تشکیل هسته نمی دهند، بلکه به هسته های موجود یا به جزیره های تشکیل شده، می چسبند. فرایند هسته بندی و رشد و به هم پیوستن جزیره های جدا اهمیت بنیادی در تشکیل ساختار لایه، یعنی اندازه خرده بلور ها، جهت آنها و غیره دارند[2-3] .
1-3 خواص لایه های نازکلایه های نازک خواص بسیار جالبی دارند که متفاوت از خواص توده ای مواد تشکیل دهنده آنها می باشد. در این مبحث به بررسی رفتار لایه های نازک از دیدگاه خواص مختلف آنها پرداخته شده است که این خواص شامل الکتریکی، خواص نوری، خواص مکانیکی، خواص شیمیایی و خواص حرارتی لایه های نازک می باشد.
-13692227432
1. volmer – weber
2. stranski – krastanov
1-3-1 خواص لایه نازک :خواص لایه های نازک نظیر خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی و. . . به پارامتر های زیادی وابسته است که این پارامتر ها مربوط به روش تولید و کیفیت و نوع ماده زیر لایه خواهند بود. در مورد روش های لایه نشانی از پارامتر های مربوط به روش تولیدی می توان به میزان خلاء جریان گاز عبوری حین فرآیند رشد لایه، سرعت لایه نشانی و خلوص مواد پوشش اشاره کرد[4] .
1-3-2 خواص مکانیکی :یکی از خواص مهم لایه های نازک خواص مکانیکی می باشد. روش های مختلف تولید وساخت لایه های نازک، باعث ایجاد عیوب از جمله نابه جایی ها در لایه ها می شود چون در لایه های نازک این عیوب قابلیت حرکت ندارند در جای خود قفل می شوند. غلظت بالای نابه جایی ها و عدم تحرک آنها در لایه نازک سبب افزایش خواص مکانیکی نظیر سختی و مقاومت به سایش آنها می شود که قابل مقایسه با بالک ماده نیست. از طرفی، افزایش شدید غلظت نابه جایی ها موجب ایجاد تنش در ساختار لایه نازک می شود و از آنجا که مقداری تنش حرارتی نیز در لایه نازک ایجاد می شود که مقدار آن تابع اختلاف دمای لایه نشانی و دمای کاربردی لایه نازک می باشد (نظیر روش های CVD و PVD که در ادامه توضیح داده خواهد شد. )معمولاًبیشتر روش های لایه نشانی در دمای بالاتر از دمای محیط استفاده می شوند. رفتار مکانیکی لایه های نازک مانند استحکام و چسبندگی آنها سهم به سزایی در کارایی لایه های نازک دارد. عوامل مؤثر بر خواص مکانیکی شامل اندازه و شکل دانه های تشکیل شده درون لایه ها، حضور شخصی جاها، نابه جایی ها، خلل و فرج و. . . می باشد.
تنش نوع اول، به این دلیل ایجاد می شود که اکثر فرآیند های لایه نشانی در دمای بالا انجام می شود و چون مواد مختلف، ضرایب انبساط گرمایی متفاوتی دارند، در هنگام لایه نشانی بین لایه، لایه های نازک به دو نوع تنش های گرمایی و تنش های ذاتی تقسیم می شود. دومین نوع تنش که به تنش ذاتی یا داخلی معروف است به عواملی چون فرایند های رشد غیر تعادلی بستگی دارد و موجب تشکیل ساختار های غیر تعادلی می شود. از دیگر خواص مکانیکی لایه های نازک استقامت کششی لایه های نازک می باشد که به طور کلی استقامت کششی لایه، تابع ضخامت لایه است[5] .
1-3-3 خواص الکتریکیبررسی خواص الکتریکی مواد عمدتاً بر اساس نظریه نواری صورت می گیرد که در آن تراز های انرژی الکترونی و چگالی حالت ها، فلز یا نیم رسانا و یا عایق بودن ماده را تعیین می کنند. این تراز های انرژی در توده مواد و در سطح مربوط به لایه های نازک با یکدیگر متفاوتند. به این ترتیب که برخی تراز های انرژی ممنوعه در حالت توده مواد تبدیل به ترازهای گسسته مجاز می شوند. همچنین در فصل مشترکی که دو سطح با یکدیگر بر همکنش دارند، ترازهای انرژی دیگری را تحت تأثیر قرار می دهند. در مورد لایه های نازک علاوه بر این که تعداد حامل های بار کاهش می یابد، به علت کاهش ضخامت لایه، حرکت الکترونها نیز محدود می شود. فاصله یک انحراف از مسیر حرکت تا انحراف دیگر را طول پویش آزاد میانگین می نامند که رسانایی ماده تابع این پارامتر می باشد. ضخامت لایه نازک می تواند کمتر از طول پویش آزاد آن گردد، در این حالت الکترون ها دائماً با دیواره لایه نازک برخورد می کند و رسانایی ماده بسیار کاهش می باید و این به معنی افزایش شدید مقاومت الکتریکی لایه نازک خواهد بود. در لایه های نازک فلزی، مقاومت الکتریکی بیشتر از بالک ماده است که این میزان با افزایش ضخامت لایه نازک، کاهش پیدا می کند[6] .
در ساخت لایه های نازک سه نوع ساختار می تواند ایجاد شود:
1- لایه ساختار کاملاً منسجم داشته باشد.
2- لایه دارای تخلخل باشد.
3- لایه به صورت ذرات جدا از هم تشکیل شود. خواص الکتریکی لایه های نازک شدیداً به ساختار آن بستگی دارد. در این میان بهترین رسانایی مربوط به لایه های نازک منسجم و کمترین میزان رسانایی در لایه های با ذرات جدا از هم می باشد. در لایه های فلزی منسجم نیز، رسانایی بسیار بیشتر از لایه های فلزی غیر منسجم می باشد. اما بر خلاف لایه های فلزی منسجم، با افزایش دما رسانایی لایه های فلزی غیر منسجم افزایش می یابد[7] .
1-3-4 خواص مغناطیسی :در لایه های نازک آثار پارا مغناطیسی و دیا مغناطیسی به قدری ضعیف است که به سختی آشکار می شود. خواص فرو مغناطیسی به دمای زیر لایه، آهنگ لایه نشانی و اجزای سازنده بستگی دارد.
خاصیت مغناطیسی لایه های نازک به شدت به مرفولوژی و میکروساختار و تا حدودی به شکل هندسی لایه بستگی دارد[8] .
1-3-5 خواص نوریمعمولاً برای لایه نشانی با اهداف نوری، از روش های فیزیکی استفاده می شود و در مباحث خواص نوری در لایه های نازک، بیشترین کاربرد مربوط به سیستم های چندلایه است که با ترکیب چندلایه با ضخامت ها و ضریب شکست های متفاوت می توان در کاربرد های وسیعی نظیر آینه ها و لایه های ضد انعکاس می توان کاربرد های متفاوتی را ایجاد نمود[9] .
1-3-6 خواص شیمیایی :در لایه های نازک به علت سطح تماس زیاد لایه با محیط، واکنش پذیری لایه نسبت به ماده افزایش می یابد، لذا از این خاصیت لایه های نازک می توان به عنوان سنسور شناسایی مواد شیمیایی استفاده نمود[10] .
1-3-7 خواص حرارتی :لایه های نازک از آنجا که نسبت سطح به حجم بالایی دارند لذا تعداد اتم های سطحی آنها بیشتر است و چون اتم های سطحی ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتم درون شبکه دارند، به همین دلیل دمای ذوب لایه نازک کمتر از دمای ذوب همان ماده در حالت بالک ماده می باشد.
از بررسی خواص لایه های نازک نتیجه می گیریم که در بررسی خواص لایه های نازک مشخص است که خواص لایه نسبت به توده ماده رفتار متفاوتی از خود نشان می دهد. خواص الکتریکی وابسته به نوع عیوب ایجاد شده خواهد بود. در بحث خواص الکتریکی لایه های نازک گفته شد که رسانایی الکتریکی لایه با کاهش ضخامت آن، کاهش می یابد و در مقابل میزان مقاومت الکتریکی در لایه های نازکتر، مقادیر بزرگتری خواهد داشت. با کاهش ضخامت لایه های نازک میزان مغناطیس شدن آنها نیز کم می شود و در مورد خواص نوری، با کاهش ضخامت لایه، جذب نور در آن افزایش خواهد داشت. همچنین به علت افزایش میزان سطح به حجم در لایه های نازک، تغییر دما و واکنش شیمیایی نسبت به توده ماده با سرعت بیشتری انجام خواهد گرفت[11] .
1-4 روش های تهیه لایه های نازکروش هایی را که برای ساخت لایه های نازک مورد استفاده قرار می گیرد، می توان به شش گروه اصلی دسته بندی کرد :
1- روش های رسوب فیزیکی بخار PVD
2- روش های رسوب شیمیایی بخار CVD
3- روش های رسوب به کمک باریکه یونی
4- روش های اپی تکسی باریکه مولکولی MBE
5- روش های رسوب با پالس لیزر PLD
6- روش های حمام شیمیایی CBD
1-5 رسوب فیزیکی بخار PVD :فرایند رسوب فیزیکی بخار(PVD) در ابتدا فقط برای رسوب دادن بخار فلزات توسط انتقال در خلاء و بدون انجام واکنش شیمیایی مورد استفاده قرار می گرفته است.
سیستم و فرایند PVD از کارایی بسیار بالایی برخوردار بوده و دامنه وسیعی از متغیر ها را در بر می گیرد که برخی از آنها شامل واکنش های شیمیایی نیز می باشد. از این فرایند برای تولید رسوب هایی از فلزات خاص، آلیاژ ها، ترکیبات و سرامیک ها برروی تقریباً انواع مختلف زیر لایه ها با شکل های مختلف استفاده می شود. سرعت تشکیل پوشش در این روش تا 50 میکرون در دقیقه می رسد، دامنه کاربرد این روش در تمام زمینه های صنعتی و تکنولوژی برای ایجاد خواص سطحی مانند خواص الکتریکی نوری، مکانیکی، شیمیایی و غیره است. مهم ترین روش های فیزیکی در ساخت لایه های نازک عبارتند از [12] :
1)روش تبخیر حرارتی
2)روش کند و پاش (اسپاترینگ)1
1-6 روش تبخیر حرارتی :در روش تبخیر حرارتی از یک منبع بخار و یک زیر لایه در یک محفظه خلاء استفاده می شود. محفظه تا فشاری معمولاً کمتر از 5 تا 10 تور تخلیه می شود. منبع بخار معمولاً یک بوته گرم شده است. بدین ترتیب ماده پوشش به صورت بخار در آمده و اتم های بخار در خط مستقیم به سمت زیر لایه حرکت کرده برروی آن کندانس شده و رسوب می کند. تبخیر حرارتی مواد به صورت های مختلفی انجام می شود از جمله :
1-6-1 تبخیر حرارتی مقاومتیساده ترین روش برای تبخیر مواد استفاده از روش تبخیر حرارتی مقاومتی است. در این روش از یک بوته تبخیر از جنس فلزات مقاوم مانند تنگستن(w)، تانتالوم (Ta) و. . . که دارای نقطه ذوب بالایی هستند، برای تبخیر مواد استفاده می شود[13] .
1-6-2 روش تبخیر حرارتی پرتو الکترونی :-35560818251چشمه تبخیری جدیدتر و کارامد تر، تبخیر با پرتو الکترونی است. از این روش برای تبخیر موادی از قبیل اکسید ها، فلزات مقاوم، نیمه رسانا ها و عایق ها استفاده شده است. ماده مورد نظر در داخل یک بوته مناسب که به وسیله جریان آب خنک می شود قرار داده
1. sputtringمی شود، سپس تفنگ الکترونی، پرتوی از الکترون را ساتع می کند که با اعمال ولتاژ زیاد، دارای انرژی جنبشی زیادی می شوند و با هدایت و کانونی شدن روی سطح ماده می تواند ماده را گرم و در نهایت تبخیر برروی بستره جایگذاری کند، در واقع سمت مرکزی ماده هدف با پرتو الکترون گرم و تبخیر می شود، دیواره های ماده که با بوته در تماس هستند با جریان آب سرد خنک می شود و جریان آب سرد باعث می شود تا واکنش های ناخواسته بین مواد مذاب و دیواره ها رخ ندهد، دسترسی به انرژی های زیاد به کمک ولتاژ زیاد، نیز امکان تبخیر مواد برگدازی مانندSio2، Tio2، ITO و. . . را فراهم می سازد[14-13] .
1-6-3 روش تبخیر حرارتی لیزریدر روش رسوب با لیزر، یک پرتو تابش لیزری بر ماده هدف می تابد و باعث گرم شدن ماده و تبخیر آن می شود. فرآیند رسوب با لیزر می تواند به سه مرحله تقسیم گردد :
1) برهم کنش هدف با لیزر
2) توزیع حبابی شکل ذرات تبخیر شده
3) رسوب لایه
در این روش منبع ایجاد پرتو لیزری در خارج دستگاه خلاء قرار دارد و با توجه به عمق نفوذ کم لیزر، تبخیر ماده ابتدا از سطح ماده شروع می شود.
1-6-4 روش آنی تبخیردر روش آنی تبخیر با استفاده از یک سیستم تغذیه مواد جدید، مواد مورد نیاز برای فرآیند لایه نشانی به سرعت روی منبع تبخیر بسیار داغ ریخته می شود.
1-6-5 تبخیر با استفاده از قوس الکتریکی :در این روش منبع حرارتی با ایجاد قوس الکتریکی بین دو سیم از جنس ماده پوشان تأمین می گردد و به عبارت دیگر این روش مخصوص پوشش دادن مواد رسانا می باشد. قوس بین دو سیم از جنس ماده پوشان ایجاد می گردد و آنها را ذوب می کند، سپس با استفاده از یک جریان گاز ذرات برروی زیر لایه قرار می گیرند. این روش سرعت پوشش دهی بسیار بالایی دارد و نسبتاً ارزان می باشد و نیاز به گاز های گران قیمت ندارد. این پوشش ها دارای چسبندگی و پیوستگی خوبی هستند.
1-7 کند وپاشکندو پاش یکی از روش های لایه نشانی از فاز بخار است که به طور عمده برای تولید فیلم فلزات با ضخامت از نانو تا میکرو می باشد و تحت شرایط کنترل شده می توان نانو ذراتی تا حد 3 نانومتر هم به این شیوه بدست آورد. اما فرایند کندوپاش عبارت است از کندو پاش اتم ها یا مولکول های هدف و ایجاد یک فیلم با یون های یک گاز خنثی که در پلاسما ایجاد شده و در میدان ایجاد کننده پلاسما شتاب می گیرند.
لایه نشانی کندوپاش به طور ذاتی یک روش پوشش دهی خلاء است. در عمل ماده مورد نظر جهت لایه نشانی یا همان هدف در مقابل زیر لایه و در فشار اولیه 6-10 تا 10-10 تور قرار می گیرند. معمول ترین شیوه تامین یون، عبور مداوم گازی همچون آرگون است که فشار را به 1 تا 100 تور افزایش داده پلاسما را تشکیل می دهد. پتانسیل منفی بین 5/0 تا KV 5 به هدف اعمال می شود]15-17[ .
یون های شتابدار انرژی جنبشی بسیار بالایی دارند به طوری که رسیدن به این سطح انرژی با حرارت دادن به نمونه امکان پذیر است. به علاوه لایه ایجاد شده مورد اصابت ذرات مختلف اما کم انرژی مثل اتم های هدف، یون های برگشتی گاز آلاینده و غیره قرار می گیرند. بنابراین اندر کنش یون – سطح تنها منحصر به هدف نیست بلکه در سنتیک جوانه زنی و رشد فیلم نیز تاثیر به سزایی دارد و کنترل بمباران یونی در هدف، خواص و زیر ساختار فیلم را تعیین می کند]18-19[.
1-8 رسوب شیمیایی بخار CVDلایه نشانی بخار شیمیایی عبارت است از یک سری واکنش های فاز گازی که برروی یک زیر لایه جامد صورت می گیرد و موجب لایه نشانی برروی سطح آن می شود روش رسوب شیمیایی فاز بخار مستلزم رسوب گذاری ماده شامل نانوذرات از فاز گازی است. ماده آن قدر گرم می شود تا به صورت گاز درآید و سپس به صورت یک ماده جامد برروی سطح معمولاً، تحت خلاء رسوب گذاری می گردد. به عبارتی دیگر لایه نشانی بخار شیمیایی یک فرآیند شیمیایی برای ساخت مواد جامد عملیاتی با خلوص بالاست روش های رسوب شیمیایی از بخار شامل روش هایی است که در آن جریان از گاز که حاوی ترکیبات فرار ماده یا موادی است که می خواهیم پوشش دهیم، وارد یک محفظه خلاء می شود. شرایط درون این محفظه کنترل شده است به نحوی که کنترل شرایط باعث انجام واکنش های شیمیایی در نزدیکی بستر یا روی بستر می شود و پوشش مورد نظر برروی سطح تشکیل می گردد، مواد اضافی حاصل از واکنش های شیمیایی در طول فرایند از سیستم خارج می شوند، لایه های بدست آمده از این روش می تواند لایه های فلزی – آلیاژی و ترکیبات نسوز نیمه هادی باشند. پارامتر های مربوط به فرآیند نظیر دمای بستر، فشار گاز، غلظت مواد واکنش دهنده و نرخ جریان گاز تأثیر قابل توجهی بر خواص لایه بدست آمده دارند و با کنترل مناسب این پارامتر ها می توان به خواص مورد نظر دست یافت. به طور کلی واکنش هایی که در فرآیند CVD انجام می شود عبارتند از :
یک سیستم CVD به طور کلی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است :
سیستم توزیع گاز، راکتور و سیستم تخلیه، سرعت لایه نشانی در این روش نسبتاًبالاست و به حدود 10 تا 100 نانومتر در ثانیه می رسد. ضخامت لایه رسوبه شده نیز یکنواخت و بدون تأثیر از شکل بستر است که یکی از روش های متداول لایه نشانی شیمیایی بخار، رسوب شیمیایی بخار به کمک پلاسما است.
مزایای روش CVD :
1) امکان تشکیل انواع مختلف پوشش ها
2)تشکیل رسوبات با کیفیت بالا.
3)سرعت زیاد تشکیل رسوب.
محدودیت های روش CVD :
1)نیاز به دمای بالا در برخی حالات.
2)فشار های کم (پمپ خاص)
3) مشکلات حرارت دادن زیر لایه در برخی مواقع مثلاً پلاستیک ها [20] .
1-9 اپی تکسی باریکه مولکولی MBE1
در این روش، منابع عنصری از طریق حرارت دادن با نرخ کنترل شده، تبخیر شده و سپس برروی زیر لایه با دمای مناسب تقطیر می شوند. این عمل را تکنیک فوق خلاء UHV می گویند، که در آن اشعه های مولکولی با اتم های تبخیر شده برروی زیر کار متمرکز می گردند. برای اطمینان از خلوص لایه با اندازه کافی، وجود شرایط فوق خلاء (حدود 9-10 تور ) لازم است. استفاده از شرایط فوق خلاء دارای دو مزیت است، اولاً اتم ها و مولکول ها به صورت خیلی خالص به سطح رشد می رسند ثانیاً فرآیند رشد را می توان با تکنیک های تشخیص و مشاهده در حالی که بلور به صورت لایه اتمی رشد می کند، تحت نظارت و کنترل در آورد، تکنیک MBE به عنوان یک فناوری عالی جهت رشد بلوری و برای تولید ساختارهای پیچیده و متنوع و به ویژه برای ساختار های چند لایه با مبنای GaAs شناخته شده است[20]. این روش مارا قادر می سازد تا کنترل دقیقی بر صفحات لایه و نیم رخ آن داشته باشیم، البته این روش به علت استفاده از دستگاه فوق خلاء روش گران قیمتی است.
-20955273421
1. Mulecular Beam Epitaxy
1-10 لایه گذاری به وسیله پالس لیزری PLD 1 :لایه گذاری به وسیله پالس لیزری PLD یکی از روش های ارتقاء یافته PVD ست که برای بهبود کیفی لایه های اکسیدی چند جزی مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش خروجی پالس کوتاه لیزری برروی هدف جامد متمرکز شده و دمای قسمت کوچکی از هدف را بیش از دمای بخار افزایش می دهد، توده مواد بخار شده از لایه رسوب شده، لایه نازک را به وجود آورده که به وسیله تکنیک های دیگرPVD غیر قابل رسوب می باشد. در روش PVD و در حالتی که منابع تک عنصری مورد استفاده قرار گیرد، دستیابی به لایه های نازک با ترکیب استو کیومتری مشکل است، زیرا نسبت ورودی هر جز باید کالیبره شده باشند. در روش PLD ترکیب بخار همان ترکیبی می باشد که در هدف وجود دارد، بنابراین رشد رسوب لایه آسانتر می شود. توانایی پالس لیزری مواد می تواند از چند نظر مورد بررسی قرار گیرد، لیزر انرژی را در هدف ذخیره می ساخته و جذب پرتو به وسیله ماده هدف باعث داغ شدن سطح و تأثیر بر شکل آن می گردد. انرژی جذب شده در واحد حجم بستگی به عمق نفوذ چشمی، پراکندگی حرارت و نسبتی که انرژی ذخیره شده است دارد. میزان انرژی ذخیره شده توسط پهنای PL تعیین می گردد. افزایش حرارت در سطح می تواند با توجه به نسبت میزان انرژی که در ماده ذخیره شده و میزان حرارتی که از دست رفته مورد محاسبه قرار گیرد، لیزر برای نقاط ریز تمرکز نموده (به عنوان نمونه چند میلی متر مربع) تا حجم ماده ای را که باید حرارت داده شود، به حداقل رساند، که در بیشتر موارد حرارت سطحی در ماده، به دنبال ذوب و بخار به وجود می آید.
1-11 لایه نشانی حمام شیمیایی CBD 2 :روش CBD به لحاظ سادگی و اقتصادی بودن از دیر باز مورد توجه قرار گرفته است. از این روش می توان برای تهیه لایه های نازک یکنواخت نیمه هادی ها، لایه های اکسیدی و آلیاژ ها استفاده کرد. همچنین می توان سطوح بزرگ را با این روش لایه نشانی کرد. اساس این روش بدین گونه است که محلول های به وجود آورنده لایه مرکب در داخل ظرفی ریخته می شوند و بعد بستر به طور عمودی در ظرف حاوی محلول فرو برده می شود.
635359302
1. Pulsed Laser Deposition
2. Chemical Bath Deposition
ماده مورد نظر روی بستر به طور یکنواخت می نشیند. روش CBD مستلزم کنترل رسوب از محلول ماده مرکب روی بستر مناسب می باشد، محلول معمولاً در محیط قلیالی می باشد. معمولاً با تغییر PH محلول، دمای محلول و غلظت پایدار کننده، می توان ضخامت فیلم و سرعت لایه نشانی را کنترل کرد[21] .
1-12 روش لایه نشان سل ژلروشهای زیادی، از جمله رسوب فیزیکی بخار، رسوب شیمیایی بخار، کندوپاش، روش پلاسما و روش های الکتروشیمیایی وروش سل ژل از روشهای معمول برای تولید لایه های نازک هستند. اگرچه همه روشهای ذکر شده برای تولید حجم زیادی از نانو مواد استفاده می شوند، اما روش سل ژل دارای محبوبیت وکاربرد صنعتی بالاتری نسبت به سایر روش های موجود است واین امر بی علت نیست. سل ژل هم اکنون می تواند نانو ذراتی با کیفیت بالا (تولید ذرات با اندازه یکسان) را در حجمی بالا تولید کند. این روش قادراست همزمان دو یا چند نوع نانو ذره را با هم تولید کند. مفهوم این جمله این است که با مخلوط کردن پیش ماده های سنتز دو یا چند فلز (یا اکسید فلز) مختلف با نسبت های معین قادر خواهیم بود که محصولات آلیاژی را در یک مرحله سنتز کنیم. البته روش های دیگری هم هستند که قادر به انجام چنین کاری می باشند (روش پلاسما و روش های الکتروشیمیایی) ولی باید خاطر نشان کرد که در مقیاس صنعتی هیچ کدام از آنها قادر به رقابت با روش سل – ژل نیستند.
همچنین این روش قادر است به روشهای رایج که محدوده ی دمایی بسیار بالایی ( بین 1400 تا 3600 درجه سانتیگراد )دارند، لایه های نازک با کیفیت و نانو مواد سرامیکی و فلزی را در دماهای بسیار پایین تری ( حدود 70 تا 320 درجه سانتیگراد ) تولید کند.
از مزایای روش سل – ژل به اختصار می توان موارد زیر را ذکر کرد:
1) سنتز در دمای پایین.
2) سرمایه گذاری اولیه کم و در عین حال کیفیت بالای محصول.
3) تهیه محصولاتی با خلوص بالا.
4) راندمان تولید بسیار بالا.
5) ابزار انجام آن ساده است.
6) واکنش پذیری شیمیایی بالای پیش ماده ها به دلیل انجام فرآیند در فاز محلول.
7) تولید قطعات اپتیکی با شکل های پیچیده.
8) تولید مواد دارای خواص فیزیکی اصلاح شده مانند ضریب انبساط حرارتی پایین و جذب اشعه UV کم و شفافیت اپتیکی بالا.
1-12-1 مراحل فرآیند سل ژلبرای تولید محصول سل – ژل لازم است ابتدا مقدمات و شرایط لازم برای واکنش ها را فراهم نمود.
شکل (1-1) نمای کلی از تمامی مراحل سل ژل
1) تهیه محلول همگن
لازم است در ابتدا یک محلول همگن شامل حلال و پیش ماده هایی که قرار است در طول فرآیند، محصول نهایی را شکل دهند آماده گردد. برای این کار ابتدا حلال ( آب یا الکل، حلال های آلی یا نسبتی از آنها ) و پیش ماده را در یک ظرف حل می کنیم تا محلول همگن حاصل شود. گاهی لازم است تا از ترکیب دو حلال با نسبت های معین استفاده شود تا پیش ماده ها به طور کامل در آن حل شود و محلول همگن حاصل شود.
2) تشکیل سل
سل از کلمه انگلیسی Solution به معنای محلول گرفته شده و لذا محلولی است از واکنش دهنده های مختلف، (مثل ماده ها، حلال، کاتالیزور های اسیدی یا بازی و سایر افزودنی ها مورد نیاز) که قرار است در ادامه واکنش طی مراحل هیدرولیز و تراکم به ژل تبدیل شود. البته لازم است که به این نکته اشاره گردد که سل ها کمی با محلول های حقیقی متفاوت هستند. در محلول حقیقی جسم حل شونده به صورت اتم، مولکول و یا یون در حلال به طور یکنواخت پراکنده شده و اندازه ذرات از 1 نانومتر تجاوز نمی کند اما اگر اندازه ذرات بزرگتر از 100 نانومتر باشد، به تدریج ته نشین می شوند (مخلوط سوسپانسیونی). اگر اندازه ذرات بین 1 تا حدود 100متغیر باشد، معمولاً به صورت پراکنده در همه جای مخلوط باقی می ماند که به این گونه مخلوط ها کلوئید می گویند. اصطلاح کلوئید از ترکیب دو کلمه یونانی kolla (به معنی چسب) و eidos (به معنای شبیه) بدست آمده است که اولین بار توسط دانشمند انگلیسی بنام توماس گراهام بکار برده شد. سل ها شامل ذرات ریزی (کمتر از 100 نانومتر) پراکنده شده در فاز حلال هستند و در واقع یک محلول یا به اصطلاح درست تر مخلوط کلوئیدی را تشکیل می دهد. پس با توجه به همه توضیحات بالا می توان سل را این گونه تعریف کرد که :” سل عبارتست از مخلوط جامد پراکنده شده در مایع که به علت کوچکی ذرات جامد قادر است برای مدت بسیار طولانی (ماه ها) پایدار بماند و ته نشین نشود”. این ذرات می توانند آمورف و یا بلوری باشند پس از ساخت یک محلول همگن باید آن را به سل تبدیل کرد. می توان گفت که واکنش هیدرولیز پایه این مرحله است. اصولاً کلمه هیدرولیز از ترکیب دو کلمه هیدرو و لیز تشکیل شده و مفهوم آن تجزیه به وسیله آب است. اصطلاح تجزیه به هر موردی اطلاق می شود که یک حالت پیچیده به حالتی ساده تر تبدیل گردد. در شیمی گاهی آب می تواند مولکولی را شکسته و به مولکول های ساده تری تبدیل کند. به طور خلاصه به دسته ای از واکنش ها که در آن آب مولکولی را شکسته (بر اثر یک واکنش شیمیایی)و به مولکول های ساده تر تبدیل می کند اصطلاحاً هیدرولیز می گوییم. واکنش هیدرولیز چندان پیچیده نیست. برای آغاز این فرآیند کمی آب به محیط واکنش افزوده می شود(این در حالتی است که محلول همگن در حلالی فاقد آب یا الکل تهیه شده باشد). حضور آب باعث خواهد شد تا واکنش هیدرولیز بر روی پیش ماده صورت گیرد و به نوعی آن را فعال کرده تا ذرات اکسید فلزی گرد هم آمده و تشکیل ذرات ریز و جامدی بدهند که در حلالی پراکنده هستند. به چنین ترکیبی سل (به عنوان یک محصول میانی فرآیند) اطلاق می شود. مهمترین نکته ای که راجع به یک سل خوب و قابل قبول باید گفت این است که سل حاصل باید به گونه ای تهیه شود تا بتواند برای ماه ها پایدار باشد و رسوب نکند. به عبارتی دیگر باید اندازه ذرات آنقدر کوچک باشد که حرکات براونی ذرات بر نیروی جاذبه زمین غلبه کرده و ذرات ته نشین نشوند و برای مدت طولانی همگن باقی بماند. اگر سل حاصل دارای چنین ویژگی باشد می توان امیدوار بود تا محصولی همگن، خالص و با بازده بالا تولید شود.
3) تشکیل ژل
ژل عبارت از یک شبکه پیوسته می باشد که یک فاز مایع را در خود جای داده است. در اکثر سیستم های سل ژل، تشکیل ژل با ایجاد پیوند های کووالانسی همراه بوده و ژل برگشت پذیر نیست یعنی قابلیت برگشت به حالت سل را ندارد. اگر ژل حاصل دارای پیوند های دیگر غیر از پیوند کووالانسی باشد می توان احتمال برگشت پذیر بودن واکنش را نیز در نظر گرفت. برای تشکیل ژل کافی است، محلول ساخته شده را به نوعی تحریک کرده، تا ذرات ریز پراکنده شده(که هر کدام شامل چند تا چند ده واحد مولکول یا اتمی از آغازگر های مربوط هستند)شروع به نوعی گرد همایی کنند. واکنش تراکم دقیقاً عکس واکنش هیدرولیز است. در هیدرولیز مولکولی درشت با مصرف آب به اجزاء ساده تر تبدیل می شود. اما در تراکم دو مولکول ساده به هم می پیوندند و تشکیل یک مولکول پیچیده تر را می دهند. با ایجاد بر همنکش های (فیزیکی و شیمیایی) میان ذرات معلق پراکنده شده در محلول سل، آنها به صورت واحد هایی متشکل از چند ده هزار مولکول کنار هم جمع شده و تشکیل مولکول های بزرگتر را می دهند. این تحریک می تواند توسط روش های فیزیکی یا به وسیله تغییر PH و یا تغییر غلظت محلول طریق اضافه کردن یک معرف مناسب (آب خالص یا آب به همراه HCI وNaOH) انجام شود. از جمله می توانیم با انجام فرایند های پوششی چرخشی و یا غوطه وری، فیلم های نازکی به ضخمات nm 500-50 را برروی یک زیر لایه تولید نمائیم. این فیلم های نازک تولید شده کاربردهای وسیعی از لحاظ الکترونی، فوتونیکی دارند و برروی خواص اپتیکی می تواند تأثیر گذار باشند. ماده ی حاصل که تمام حلال را در درون خود به دام می اندازد ژل خیس نام دارد. ژل در نهایت به عنوان محصول نهایی ساخته می شود.
انواع ژل بر اساس نوع حلال
الف)آلکوژل
ژلی که حفره های آن توسط الکل پر شده باشد آلکوژل نامیده می شود. ژل هائی که از خشک کردن آلکوژل بدست می آیند دارای حفره های بیشتر می باشند و ساختار ژلی آبی تقریباً حفظ می شود و شکستگی کمتری در ساختار در هنگام خشک کردن اتفاق می افتد.
ب)هیدوژل
این ژل ها را عموماً در محیط آبی تهیه می کنند. اصطلاح هیدروژل به ژلی اطلاق می شود که حفره های آن توسط آب پرشده اند. البته گاهی اوقات به آن آکواژل1 نیز گفته می شود.
فرآیند سل -ژل شامل تغییر حالت سل به ژل با استفاده از تکنیک های مختلف و متفاوت است که در اکثر آنها از خشک نمودن آهسته و ملایم برای حذف حلال استفاده می شود. باید توجه داشت که به دلیل وجود پدیده انقباض در هنگام خشک شدن ژل، باید در طول فرآیند خشک کردن، نکات لازم برای جلوگیری از به وجود آمدن ترک را رعایت نمود.
4)خشک کردن
بسته به استحکام ساختار ژل، می توان لایه های نازکی با سطح یکنواخت و یا یک تکه مستقل با حفره های بزرگ به دست آورد.
از آنجا که در این وضعیت حلال یکی از اجزاء داخلی ژل محسوب می شود (شبکه را پابرجا نگه می دارد). حفظ ثبات ساختار حفره ها با برداشتن حلال بسیار دشوار است. معمولاً باید اجازه داد ساختار ژل قبل از خشک کردن، رسیده شود (کمی بماند) تا پیوند های بین ذرات استوارتر گردد. این مرحله بین یک ساعت تا چند روز طول می کشد. به این فرایند در اصطلاح پیرسازی2 گفته می شود. طی فرآیند پیرسازی، ژل به تغییرات خود ادامه می دهد تا پیوندهای جدید شکل گرفته و استحکام اسکلت ژل بیش از پیش گردد.
-6350364226
1. Equagel
2. Aging
انواع ژل بر اساس طرز خشک شدن :
الف)زروژل
ماده را در محیط قرار دهیم تا خودبه خود خشک شود. خروج حلال از حفرات در هنگام خشک کردن باعث ایجاد نیروی مویینگی شده و در نتیجه سبب انقباض شبکه ژل می شود. ژلی که در اثر خشک شدن به دست می آید زروژل نام می گیرد و حفره های کمتری دارد و متراکم است. به عبارت دیگر زروژل به ژلی گفته می شود که تمام مایع داخل حفره های ژل خارج شده است، به گونه ای که ساختار کمی نسبت به ژل تر اولیه متراکم تر و فشرده تر شده است. از اینروزروژل نسبت به ژل خیس اولیه معمولاً حجم کمتری دارد و چروکیدگی نسبت به وضعیت ژل خیس در آن کاملاً مشهود است.
ب)آئروژل
وقتی که ژل تر تحت شرایط خاصی مثلاً قرار دادن درون کوره خشک شود در این صورت میزان انقباض به دلیل حذف فشار موئینگی اندک می شود. و در آن تغییرات شبکه جامد به حداقل می رسد در نتیجه شبکه و حفره ها تغییر حجم نداده و حجم ژل خشک به دست آمده برابر با حجم ژل تر می باشد. این ژل که دارای شبکه متخلخل و پوکی است آئروژل نامیده می شود. آئرول(ژل هوادار) نیز نوعی ژل خشک است. لذا حلال از ژل خارج شده است. در این جا خروج حلال به گونه ای بوده که هیچ فشردگی یا تغییری در ساختار ژل ایجاد نشده است. بر خلاف زروژل، در آئروژل تمامی خلل و فرج و ساختار حفظ شده و متراکم نمی شود[22] .
عمده ترین روش های تهیه ی لایه های نازک به روش سل ژل عبارتند از :
الف)تکنیک پوششی چرخشی
ب)تکنیک غوطه وری
روشی که ما در این پایان نامه از آن برای تهیه ی لایه های نازک استفاده کرده ایم روش اسپین کوتینگ و یا همان روش پوششی چرخشی می باشد. در این روش مقداری از محلول (سل) را بر روی زیر لایه قرار می دهیم و پس از تنظیم مدت زمان زیر لایه شروع به چرخش می کند. این روش شامل سه مرحله می باشد. در مرحله ی اول مقداری از سل برروی سطح زیر لایه ی مورد نظر ریخته می شود. در مرحله ی دوم زیر لایه ای که سل را بر روی آن قرار داده ایم در مدت زمان تعیین شده شروع به چرخش می کند. در این مرحله در نتیجه ی حرکت چرخشی زیر لایه سل اضافی از روی بستر خارج می شود. این مرحله با نازک شدن تدریجی محلول همراه است. در مرحله آخر یعنی مرحله ی خشک کردن به منظور جدا سازی و تبخیر مواد حلال و فرار از لایه، لایه تهیه شده را در کوره قرار می دهند. در این صورت یک لایه با چسبندگی زیاد بر روی زیر لایه تهیه می شود. در این روش ضخامت نهایی لایه بستگی مستقیم به زمان چرخش و سرعت چرخش دارد.
روش سل ژل، روشی ارزان و قابل دسترس برای تولید در حجم صنعتی می باشد. در این روش با ساخت یک محلول سل خوب (شفاف و پایدار ) و تبدیل آن به ژل و در پی آن تراکم به محصول خیس رسیده و با یکی از روش هایی که برای خشک کردن ژل خیس وجود دارد، ژل را خشک کرده و به محصول نهایی که لایه های نازک در ابعاد کنترل شده می باشد می رسیم. نحوه ی خشک کردن بستگی مستقیم به نوع محصول و ویژگی های آن دارد.
انتخاب روش لایه نشانی
انتخاب و برگزیدن یک فرایند لایه نشانی یک نقش اساسی را در تولید لایه های نازک با کیفیت خوب، بازی می کند. و این در حالی است که یک روش انتخابی باید به طور رضایت بخشی شرایط زیر دارا باشد :
1)پوشش کامل لایه.
2)مقرون به صرفه بودن.
3)دمای فرآیند باید پایین باشد.
4)توانائی لایه نشانی در مقیاس مورد نظر را دارا باشد.
برچسب:
نویسنده: نرگس اسماعیلی