تبیان، دستیار زندگی
طی چند سال اخیر با پیشرفت فناوری نانو، علم لایه های نازک شمار زیادی از تحقیقات را به خود اختصاص داده است. اهمیت لایه های نازک علاوه بر خواص پوششی آنها، شامل خواص الکتریکی، نوری و... نیز می باشد
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

علم لایه‌های نازک

(قسمت دوم)


طی چند سال اخیر با پیشرفت فناوری نانو، علم لایه های نازک شمار زیادی از تحقیقات را به خود اختصاص داده است. اهمیت لایه های نازک علاوه بر خواص پوششی آنها، شامل خواص الکتریکی، نوری و... نیز می باشد که از دو ویژگی اساسی لایه های نازک که همان نازک بودن و بزرگی فوق العاده نسبت سطح به حجم است، حاصل می گردد و باعث پیشرفت در صنایع میکروالکترونیک، فروالکترونیک، اپتیک و... گشته است.

قسمت اول

علم لایه‌های نازک

خواص فیزیکی لایه های نازک عموماً متفاوت از توده ماده است و با توجه به شرایط لایه نشانی و ساختار لایه تشکیل شده، می تواند تغییر کند. سرعت لایه نشانی، دمای زیرلایه، نوع خلاء، ساختار زیرلایه و تطابق آن با لایه از جمله عوامل تاثیر گذار بر کیفیت لایه نازک می باشند. اتم ها در فاز بخار، در صورت نفوذ در مکانهای خاصی روی سطح ماده، کندانس شده و موجب رشد لایه می گردد که بر اساس همین مکانهای خاص سطحی و میزان نیروی پیوند بین اتم های لایه و زیرلایه، فرایند رشد لایه نازک تعیین می شود.

فرایندهای جایگذاری و رشد لایه های نازک:

هر فرایند جایگذاری لایه نازک، سه مرحله را شامل می شود:

1- تولید ذرات اتمی، مولکولی، یا یونی مربوطه

2- انتقال این ذرات به سطح زیرلایه از طریق یک واسطه

3- چگالش در روی زیرلایه (به طور مستقیم، و یا از طریق یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی) برای تشکیل یک لایه جامد. تشکیل یک لایه نازک از طریق «هسته سازی» و فرایندهای رشد صورت می گیرد.

تصویر عمومی فرایند رشد قدم به قدم را که از مطالعات تئوری و آزمایشات تجربی مختلف نتیجه گرفته شده، می توان به شرح زیر ترسیم کرد:

1. هر ذره واحد، در هنگام برخورد به سطح زیرلایه، مولفه سرعت عمود بر سطح خود را از دست می دهد (به شرطی که انرژی برخوردی خیلی بالا نباشد) و به طور فیزیکی یا شیمیایی در روی سطح زیرلایه جذب سطحی می شود (البته امکان دارد که ذره در هنگام برخورد به سطح زیرلایه، بلافاصله منعکس شده و به محیط برگردد، و یا پس از مدتی اقامت در روی سطح زیرلایه، تبخیر مجدد شود).

2. ذراتی که در روی سطح زیرلایه جذب سطحی می شوند، در ابتدا با زیرلایه در تعادل حرارتی نمی باشند و در روی سطح زیرلایه حرکت می کنند و در این فرایند، آنها ممکن است با خودشان برخورد کرده و تشکیل مجموعه هایی را بدهند.

علم لایه‌های نازک

3. این مجموعه ها (که به نام «هسته» نیز خوانده می شوند) از نظر ترمودینامیکی ناپایدار بوده و ممکن است مجدداً از سطح جدا شوند (در مدت زمانی که بستگی به پارامترهای جایگذاری دارد). اگر پارامترهای جایگذاری به طریقی باشند که یک مجموعه با ذراتِ جذب سطحی شده دیگر برخورد کند (قبل از اینکه مجدداً از سطح تبخیر گردد)، این مجموعه شروع به رشد کرده و بزرگتر می شود. بعد از اینکه یک اندازه بحرانی معین حاصل شد، این مجموعه از نظر ترمودیناکی پایدار شده و گفته می شود که بر مانع (یا سد) هسته سازی غلبه حاصل شده است. این مرحله که شامل تشکیل هسته های پایدار ، جذب سطحی شده ، و با اندازه بحرانی می باشد، به نام «مرحله هسته سازی» نامیده می شود.

4. در مرحله بعد، این هسته های بحرانی از نظر تعداد و همچنین اندازه رشد پیدا می کنند تا این که یک چگالی هسته سازی اشباع حاصل شود (تعداد هسته ها به میزان مشخصی رسیده و دیگر زیادتر نشود). این چگالی هسته سازی و اندازه متوسط هسته ها بستگی به تعدادی از پارامترها مانند انرژیِ ذرات برخورد کننده، آهنگ برخورد، انرژی های فعال سازی- جذب سطحی- گازپس دهی- و پخش حرارتی، و دما- توپوگرافی و طبیعت شیمیایی زیرلایه دارد. یک هسته می تواند به موازات سطح زیرلایه (به وسیله برخورد مستقیم ذرات برخورد کننده) رشد پیدا کند (گرچه عموماً آهنگ رشد پهلویی در این مرحله خیلی بیشتر از آهنگ رشد قائم است). این هسته های رشد یافته به نام «جزیره» خوانده می شوند.

با توجه به نوع کاربرد لایه های نازک می توان کیفیت ساخت آنها را تغییر داد. از عواملی که در کیفیت لایه نازک موثرند می توان به سرعت لایه نشانی، دمای زیرلایه، نوع خلاء، ساختار زیرلایه و تطابق آن با لایه اشاره نمود

5. مرحله بعدی در تشکیل لایه نازک ، مرحله «به هم پیوستگی » است که در آن جزایر کوچک شروع به اتصال به یکدیگر کرده و در نتیجه ، ناحیه سطحی باز را کاهش می دهند.این تمایل برای تشکیل جزایر بزرگتر ، به وسیله افزایش تحرک سطحی ذرات جذب سطحی شده ، افزایش پیدا می کند. برای مثال ، با افزایش دما ، تحرک ذرات زیاد تر شده و به هم پیوستگی افزایش می یابد.

6. جزایر رشد کرده به هم متصل می شوند. در نتیجه، کانال ها و سوراخ هایی (که هنوز پوشانده نشده اند) در روی زیرلایه به وجود می آید. ساختمان لایه، در این مرحله، از نوع «جزیره ای ناپیوسته» به نوع«شبکه متخلخل» تغییر می کند.

7. در مرحله نهایی، با پر شدن کانال ها و سوراخ ها، یک لایه کاملاً پیوسته تشکیل می شود.بسته به پارامترهای ترمودینامیکی جایگذاری، و بسته به شرایط سطح زیرلایه، هسته سازی اولیه و مراحل بعدی رشد را می توان به فرم های الف) نوع جزیره ای ب) نوع لایه ای پ) نوع مرکب (که به نام نوع استرانسکی– کراستانوف نیز نامیده می شود) طبقه بندی کرد. به جز در شرایط خاصی امتداد بلوری و جزئیات توپوگرافی (شکل شناسی) جزایر مختلف، معمولاً به صورت اتفاقی توزیع شده است. در نتیجه موقعی که این جزایر به هم دیگر می رسند، مرز دانه ها ومعایب نقطه ای و خطی مختلفی (به واسطه جور نبودن امتدادها بلودی و پیکر بندی هندسی دانه ها) در داخل لایه نازک به وجود می آیند.

علم لایه‌های نازک

کیفیت لایه‌های نازک

با توجه به نوع کاربرد لایه های نازک می توان کیفیت ساخت آنها را تغییر داد. از عواملی که در کیفیت لایه نازک موثرند می توان به سرعت لایه نشانی، دمای زیرلایه، نوع خلاء، ساختار زیرلایه و تطابق آن با لایه اشاره نمود. در مورد سطح مشترک لایه و زیرلایه، بایستی مرز مشترک آن عاری از آلودگی و ناخالصی باشد و ناصافی آن به حداقل ممکن خود برسد تا اتصال در سطح مشترک به خوبی صورت گیرد. در مورد ساختار نیز، نظم اتمی لایه و زیرلایه می تواند نقش مهمی در ویژگی های لایه نازک داشته باشد. همچنین خواص شیمیایی به دلیل ایجاد واکنش شیمیایی که ممکن است بین اتم های لایه و زیرلایه صورت بگیرد، بایستی به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در حیطه خواص حرارتی، نزدیکی ضریب انبساط حرارتی لایه و زیرلایه موضوع حائز اهمیتی است تا لایه ایجاد شده بر روی زیرلایه چروکیده یا پاره نشود. همچنین در برابر شوک های حرارتی بایستی مقاوم باشند و در مورد خاصیت مکانیکی، لایه و زیرلایه بایستی از استقامت مکانیکی خوبی برخوردار باشند.

    ادامه دارد...

فرآوری: مریم نایب زاده

بخش دانش و زندگی تبیان


منبع: nano-iran، edu.nano، thinfilm