برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۳۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۰۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵۰,۹۴۲
  • بازدید این ماه ۳۳۲
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۵۶
  • قبول شدگان ۴۱۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۲۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۹
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

روش‌های سنتز، آنالیز و کاربردهای لایه‌های نازک

اساس روش‌های ساخت لایه های نازک بر دو مبنای فیزیکی و شیمیایی استوار است که روش های عمده لایه نشانی، برپایه این روش ها دسته بندی می شوند. در هر روش، کیفیت و شرایط لایه نازک متفاوت است که بسته به نوع کاربرد لایه نازک و شرایط مورد نظر، روش های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. از کاربرد های مهم لایه های نازک می توان به استفاده از این نانوساختارها در ساخت ترانزیستورهای لایه نازک،GMR وسلول های خورشیدی اشاره کرد. جهت آنالیز و بررسی کیفیت و ضخامت لایه های نازک، روشهای طیف شناسی الکترون و یون شامل روش طیف شناسی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS)، الکترون اوژه (AES) و طیف شناسی جرمی یون ثانویه (SIMS) مورد استفاده قرار می گیرد.
1-روش های سنتز لایه های نازک
روشهای سنتز لایه های نازک به دو دسته عمده روش های فیزیکی و روش های شیمیایی تقسیم بندی می شوند. این روش ها بسته به پروسه اعمال لایه، منبع انرژی و محیط اعمال لایه نامگذاری می شود. در این بین، روش های لایه نشانی بخار شیمیایی جزء متنوع ترین روش های لایه نشانی می باشند. [1-3].

1-1-روش های فیزیکی (Physical Method):
قدیمی ترین روش پوشش دهی فیلم های نازک، روش فیزیکی است که در سال 1857 توسط فارادی با تبخیر یک فیلامان فلزی انجام گرفت. این روش شامل دو روش تبخیری (Evaporation) و پراکنش یا کندوپاش (Sputtering) می باشد.

1-1-1- Evaporation
در این روش ماده مورد نظر درون محفظه ای با فشار معین(معمولا فشار کمتر از 1 اتمسفر) قرار می گیرد. سپس با اعمال حرارت تبخیر شده و بخار حاصل بر روی زیر لایه کندانس می شود. در این روش، نوع و شکل فیلامان گرم کننده روی سرعت پوشش دهی و خصوصیات لایه تشکیل شده تاثیر می گذارد. در انتخاب فیلامان بایستی دقت نمود که فشار بخار فیلامان نبایستی از فشار بخار تارگت مورد نظر بیشتر باشد تا به هنگام تبخیر تارگت، فیلامان همراه با آن تبخیر نشود.

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل 1-شماتیک قرارگیری منبع و زیرلایه در روش تبخیری جهت دستیابی به رسوب یکنواخت[4].

از جمله موادی که با این روش لایه نشانی می شوند آلومینیوم،کروم، مس، طلا، نیکل، کادمیم، پالادیم، تیتانیم، مولیبدن، تنگستن و تانتالیم می باشد. معمولا فیلامان ها از یک ماده دیر گداز نظیر تنگستن، مولیبدن یا گرافیت انتخاب می شوند. اما چنانچه هدف، ساخت لایه های نازک دیرگداز مثل تنگستن و تانتالیم باشد، بایستی از روش قوس الکتریکی برای تبخیر تارگت استفاده نمود.
در تکنولوژی های بالاتر، از روش پرتو الکترونی با انرژی بالا (Electron Beam Evaporation) جهت تبخیر ماده استفاده می شود. در این روش با کنترل ولتاژ شتاب دهنده الکترون، انرژی پرتو الکترونی تنظیم شده و حرارت به صورت متمرکز بر روی تارگت اعمال می گردد [1-3].

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل 2- واحد تبخیر پرتو الکترونی [4].

2-1-1- Sputter deposition
در روش پراکنش، برخورد یون های سنگین و بی اثر مثل آرگون، که در یک میدان الکتریکی شتاب پیدا کرده اند، باعث کندن اتمهای تارگت از سطح و تبخیر آن درون محفظه خلا می شود. سپس این اتم های پراکنده شده بر روی سطح زیرلایه، کندانس می شوند. در این روش فشار محفظه، ولتاژ و جریان عبوری، نوع و شکل هندسی تارگت، شکل هندسی و شرایط سطحی زیرلایه و فاصله میان تارگت و زیر لایه از جمله عوامل مهم و تاثیرگذار لایه نشانی می باشد.

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل 3- شماتیک ساده سیستم پراکنش[4].

برای تولید لایه های نازک آلیاژی روش پراکنش مناسبتر از روش تبخیر می باشد. زیرا در روش تبخیری به علت اختلاف فشار بخار جزئی عناصر، دستیابی به لایه نازک با درصد آلیاژی مشخص بسیار مشکل می باشد. همچنین برای تولید لایه های ترکیبات اکسیدی، نیتریدی ویا سولفیدی می توان به همراه گاز آرگون، مقادیری اکسیژن، نیتروژن و یا گوگرد وارد محفظه نمود [1-3].

2-1-روش های شیمیایی (Chemical Method):
1-2-1-رسوبدهی شیمیایی بخار(CVD:Chemical Vapor Deposition)
در این روش، ماده اولیه(Precursor) درون رآکتور قرار می گیرد. سپس، جریان گاز حاوی ماده اولیه، که تجزیه شیمیایی شده است، روی زیر لایه کندانس شده و لایه نازک را تولید می کند و در آخر گازها و مواد زائد از درون محفظه خارج می شوند. این روش برای انواع مواد شامل عناصر، آلیاژها، نیتریدها، اکسیدها، نانوکامپوزیت ها، نیمه رساناها و ترکیبات بین فلزی مناسب می باشد.
پوشش تولیدی در این روش دانسیته و خلوص بالایی داشته و جهت کاربردهایی نظیر قطعات الکترونیکی، لایه های نازک نیمه رسانا، لایه های نازک برای ابزار برشی و صنایع هوافضا استفاده می شود [1-3].

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
شکل 4- مراحل انتقال گاز و فرایندهای واکنش در تشکیل لایه به روش CVD ا[4].

2-2-1-آبکاری الکتریکی (Electroplating)
آبکاری الکتریکی روش الکتروشیمیایی است که از آن برای ساخت لایه های نازک فلزی بر روی زیرلایه رسانای الکتریکی استفاده می شود. از محاسن این روش، قابلیت لایه نشانی فلزات، آلیاژها، مواد کامپوزیتی و انجام فرایند لایه نشانی در دمای اتاق می باشد. تجهیزات این روش شامل منبع انرژی، کاتد(فلز زیرلایه)، آند(مصرفی یا غیر مصرفی) و حمام الکترولیت، حاوی یون های لایه نازک مورد نظر، می باشد. در اثر اختلاف پتانسیل بین کاتد وآند، یون های مثبت فلز که در محلول الکترولیت می باشند، به سمت کاتد رفته و با گرفتن یک یا چند الکترون به اتم فلزی تبدیل می شوند و به صورت یک لایه روی کاتد(زیرلایه) می نشینند. از طرف دیگر یون های منفی به آند رفته و با از دست دادن الکترون های خود به آند به یک نمک محلول تبدیل می شود و به محلول باز می گردد. الکترون های جامانده در آند از طریق منبع تغذیه به کاتد می روند و به این ترتیب، جریان الکتریکی در مدار برقرار می شود. نتیجه به دام افتادن این الکترون ها، لایه نشانی یک فلز روی زیرلایه است.

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل 5- آبکاری الکتریکی با جریان مستقیم [4].

فاکتورهای مهم در این روش، pH و ترکیب شیمیایی حمام، چگالی جریان، دما و سرعت همزدن حمام می باشد. اگر پارامترهای آبکاری بدون تغییر باقی بمانند، سرعت لایه نشانی با افزایش چگالی جریان اعمالی، افزایش خواهد یافت. در نتیجه واکنش های جانبی نیز می توانند اتفاق بیفتند که این واکنش ها کارایی آبکاری الکتریکی را کاهش می دهند [1-3].

3-2-1- آبکاری الکترولس (Electroless Plating)
اساس این روش، مانند روش آبکاری الکتریکی است با این تفاوت که در روش الکترولس، احیای یون فلزی روی زیرلایه توسط یک احیاکننده و به صورت شیمیایی انجام می شود. در این روش آند و کاتد نداریم و الکترولیت، حاوی یک احیا کننده قوی، و یونی است که بایستی احیا شود. این روش محدود به مس و نیکل است ولی بسیاری از محدودیت های روش آبکاری الکتریکی را ندارد.

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل 6-لایه نشانی به روش الکترولیز [4].

فناوری الکترولیز مزیت هایی نسبت به لایه نشانی الکتریکی دارد که به شرح زیر می باشد:
  •  به هیچ اتصال الکتریکی احتیاج ندارد.
  • امکان لایه نشانی برروی سطوح نارسانا، به خوبی سطوح رسانا وجود دارد.
  •  در این فناوری به دلیل اینکه خطوط میدان وجود ندارد، رسوب ایجاد شده یکنواخت تر است.
  • برای پوشش های سه بعدی مناسب است.
برای استفاده از آبکاری الکترولس روی سطوح سرامیکی، دو انتخاب زبر کردن سطح یا اصلاح شیمیایی آن در دسترس می باشد [1-3].

2-آنالیز لایه های نازک
روش های آنالیز لایه های نازک همان روش های آنالیز سطح می باشد. شناسایی لایه های نازک بایستی هم از لحاظ نوع ماده، هم خصوصیات فیزیکی و هم از حیث ساختار ومورفولوژی صورت گیرد. از آنجا که مهمترین خصوصیت در لایه های نازک ضخامت آن می باشد، لذا عمده ترین روش های آنالیز در لایه های نازک شامل XPS =X-ray Photoelectron Spectroscopy)، AES=Auger electron Spectroscopy ) و ( SIMS =Secondary Ion Mass Spectroscopy) می باشد [4و5].

1-2- طیف شناسی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS)
این روش جزء روش های طیف شناسی الکترون است که در آن پرتو ایکس با انرژی بالا به نمونه برخورد کرده و از لایه های به فاصله چند اتم از سطح نمونه، الکترون خارج می گردد. به همین دلیل است که این روش برای آنالیز لایه های سطحی روش مناسبی می باشد. از آنجا که انرژی اتصال الکترون در لایه های اتمی (Binding Energy) برای هر عنصر، میزان مشخصی می باشد، لذا شناسایی عناصر از این طریق صورت می گیرد. در این روش علاوه بر آنالیز کمی و کیفی عناصر، شناسایی ترکیب شیمیایی مواد نیز صورت می گیرد [4و5].

filereader.php?p1=main_46d46a759bf6cbed0
شکل 7- نمونه کار اسپکتروسکوپ فوتوالکترون اشعه ایکس [6].

2-2-طیف شناسی الکترون اوژه (AES)
طیف شناسی اوژر یکی از روش های معمول مطالعه آنالیز سطوح است که برای بررسی شیمیایی و ترکیبی سطح از آن استفاده می شود. اساس این روش، بر پایه الکترون هایی است که از یک اتم برانگیخته خارج می شوند. در این روش پرتو الکترونی به سطحی ترین لایه اتمی نمونه برخورد می کند و با برخورد الاستیک خود باعث کندن الکترون های اوژه از سطح ماده می شود [4و7].

filereader.php?p1=main_2e3f209d4f2bb3466
شکل 8- اسپکتروسکوپ الکترون اوژه [8]

3-2- طیف شناسی جرمی یون ثانویه (SIMS)
روش SIMS یکی از روش های آنالیز ترکیبات سطوح ولایه های نازک می باشد که در این روش، با استفاده از برخورد پرتو یونی(Ion Beam) و کنده شدن یون های ثانویه، نسبت جرم به بار یون ثانویه اندازه گیری می شود و از این طریق، می توان نوع عنصر و ترکیب ملکولی سطوح تا عمق 1-2 نانومتر را تعیین نمود. روش SIMS یکی از دقیق ترین روش های تشخیص عنصری سطوح مواد است [4و9].

3- کاربرد لایه های نازک
استفاده از لایه های نازک در ساخت وسایل پیچیده و مدرن امروزی بسیار متداول شده است، به طوری هر روز شاید بتوان با کاربردهای جدیدی از لایه های نازک آشنا شد. از مهمترین کاربرد های لایه های نازک، وسایل الکتریکی نیمه رسانا، ابزارهای حافظه و پوشش های نوری می باشد.

1-3- Transistor
ترانزیستور لایه نازک(TFT)، یکی از انواع خاص ترانزیستورهای اثرمیدان است که از پوشش یک لایه نازک فعال نیمه هادی به علاوه لایه دی الکتریک و فلزی که همگی بر روی یک زیرلایه قرار گرفته اند، بدست می آید. از کاربرد های آن می توان به ساخت ابزار نمایشی کریستال مایع اشاره نمود. یکی از انواع این ساختارها، شامل یک لایه اکسیدی بین دو لایه فلزی و نیمه هادی (MOS:Metal-Oxide-Semiconductor Transistor) می باشد و در ماکروالکترونیک کاربرد وسیعی دارد.

filereader.php?p1=main_d9a9d61ef9ac1fb46
شکل 9-مقطع عرضی ساختار ترانزیستور MOS ا[4].

به عنوان مثال، ترانزیستور لایه نازک سیلیکون آمورف هیدوژنه شده به علت دمای پایین و وسعت امکانات پوشش دهی آن، کاربردهای وسیعی را در سوئیچینگ(Switching) ابزارهای نمایشی کریستال مایع دارد. عملکرد ترانزیستورها وابسته به کیفیت فصل مشترک بین لایه نازک و لایه دی الکتریک است [3و10و11].

2-3- GMR
از دیگر کاربردهای مهم لایه های نازک در(GMR=Giant Magneto Resistance) می باشد که ساده ترین نوع آن، متشکل از یک لایه فرومغناطیس نانومتری(مثل نیکل) می باشد که روی ساختار فلزی غیر مغناطیسی(مثل مس) قرار گرفته است که با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی، رسانایی بسیار بالایی در ماده پدید می آورد. به علت امکان افزایش شدید دانسیته ضبط مغناطیسی در ابزارهای حافظه توسط ساختارهای GMR، در سالهای اخیر ساخت هدهای مغناطیسی(Reading Heads) بر همین اساس متداول شده است [2و12].
 
3-3- Solar Cell
سلول های خورشیدی، سلول هایی هستند که نور خورشید را غیرمستقیم به الکتریسیته تبدیل می کند.

filereader.php?p1=main_ad304601e6638bf2b
شکل 10- نحوه کار سلول خورشیدی(سمت راست)-نمونه سلول خورشیدی(سمت چپ) [13].

جهت استفاده از انرژی خورشیدی، از صفحه های جمع کننده آلومینیوم-مس یا استیل گالوانیزه استفاده می شود. اما برای کمتر کردن افت گرمایی به صورت هدایت و همرفت، آنها را توسط لایه های نازک، ایزوله و ضدبازتاب می کنند. برای مثال از لایه های CuLaSe2 یا از سیستم های لایه نشانی NiAl2O3 استفاده می شود. همچنین در سلول های فوتوولتایی که در تبدیل مستقیم لیزری انرژی خورشیدی به الکتریسیته استفاده می شود، معمولاً از Si که روی آن لایه نازکی از P با استفاده از خاصیت پخشی قرار گرفته است، ساخته شده و به این ترتیب با جذب نور در پیوندگاه، جریان الکتریکی تولید می شود [3].

بحث و نتیجه گیری
روش فیزیکی ساخت لایه های نازک شامل دو روش تبخیر و پراکنش می باشد که در روش اول با مبنای حرارتی و در روش دوم با مبنای مکانیکی باعث تبخیر ماده می شود. در گروه روش های شیمیایی، روش CVD به علت دانسیته و خلوص بالای لایه های نازک تولیدی، در صنایع الکترونیک و هوافضا کاربرد وسیعی دارد و روش آبکاری الکتریکی به علت در دسترس بودن و هزینه پایین، قابلیت کاربردی بالا و لایه نشانی در دمای پایین بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.
از جمله روش های آنالیز لایه های نازک، روش XPS می باشد که علاوه بر آنالیز کمی و کیفی عناصر، قابلیت تشخیص ترکیب شیمیایی لایه را نیز دارد و روش SIMS یکی دقیق ترین روش های تشخیص عناصر در لایه نازک می باشد.
از مهمترین کاربردهای لایه نازک می توان به ساخت ترانزیستورهای نیمه هادی MOS اشاره کرد که در ساخت ابزار نمایشی کریستال مایع استفاده می شوند. همچنین لایه های نازک GMR که در ساخت هدهای مغناطیسی کامپیوتر استفاده می شوند، و سلول های خورشیدی برای ایزوله و ضد بازتاب گردن آنها،جهت کاهش افت گرمایی از جمله کاربردهای مهم لایه های نازک می باشند.

در فیلم زیر در رابطه با کاربردهای لایه نازک با توجه به خواص این پوشش ها توضیحاتی ارائه شده است.


در فیلم زیر در رابطه با روش های Spottering و Evaporation در تولید لایه های نازک و دستگاه های این روش ها به همراه عملکرد این دستگاه ها توضیحاتی ارائه شده است.

منابـــع و مراجــــع

[1] A. Wagendristel & Y. Wang, “An Introduction of Physics and Technology of Thin Films”, , 1994.

[2] R. W. Berry, P. M. Hall & M.T. Harris “Thin film Technology”, Van Nostrand Company, 1968.

[3] ع. رازقی زاده، "فیزیک لایه های نازک "، دانشگاه پیام نور:تهران، 1388.

[4] M. Ohring, “Yhe Materials Science of thin Films”, Academic press. 1992.

[5] ULF BEXELL, “Surface Characterisation Using ToF-SIMS, AES and XPS of Silane Films and Organic Coatings Deposited on Metal Substrates”, ACTA UNIVERSITATIS UPSALIENSIS UPPSALA 2003".

[6] http://www.wikipedia.org/wiki/X-ray-photoelectron-spectroscopy

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Auger_electron_spectroscopy

[8] http://www.nano.ir/sub_nanoworld.php?page=nanolab/aes&title=AES

[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Secondary_ion_Mass_spectroscopy

[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Thin-film_transistor.

[11] K. Kavak & K. Shanks, “Stability of hydrogenated amorphous silicon thin film transistors on polyimide substrate”, Solid State Electronics, Vol. 49, pp. 578-584, 2005.

[12] Constantin Buzau Ene, Guido Schmitz, Reiner Kirchheim, Andreas Hutten, “Stability and thermal reaction of GMR NiFe/Cu thin films”, Acta Materialia, Vol. 53, pp.3383–3393,2005.

[13] http://www.solarpower2day.net/solar-cells

نظرات و سوالات

نظرات

3 -5

حسین حجتی - ‏۱۳۹۴/۱۰/۱۱

خوب

2 -2

هادی وزیری

با سلام از شما خواهشمندم مطلبی در مورد fes بگذارید چون واقعا هر جا رفتم چزی راجع به اون نیست ممنون

1 -4

محمد میر

با سلام
چرا در مقلات فوق اسمی از سیستم های گاز الکترونی دو بعدی که دارای چاه کوانتمی در حد آنگستروم و نانو است آورده نشده؟