منبع پایان نامه درمورد مواد معدنی، تقسیم بندی، دسته بندی

نازک
به 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 نازک
عمدتاً 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
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 نازک
لایه 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.
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 الکتریکی
بررسی 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 نوری
معمولاً 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 نازک
روش 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-

مطلب مشابه :  منابع مقاله دربارهدینامیکی، مدل دینامیکی، نیروهای خارجی، کنترل بهینه

دیدگاهتان را بنویسید