برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۹/۰۹ تا ۱۳۹۸/۰۹/۱۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۷۰۷
  • بازدید این ماه ۲۴
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۶۸
  • قبول شدگان ۲۳۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۸۵
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۲
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 دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

فناوری انباشت لیزری در ساخت لایه‌های نانو و میکروساختار

انرژی حاصل از تابش پرتو لیزر برای تبخیر (یا کندوپاش) و لایه‌نشانی طیف وسیعی از مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش زیرمجموعه‌ای از روش‌های لایه‌نشانی فیزیکی به‌شمار می‌رود. در این مقاله، به طور اجمالی به معرفی انباشت لیزری و رسوب‌دهی با لیزر پالسی پرداخته می‌شود و عوامل موثر بر آن مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. سپس انواع برهم‌کنش‌های لیزر-هدف، دینامیک مواد کنده‌شده از نمونه، انباشت مواد کنده‌شده روی زیرلایه و هم‌چنین هسته‌زایی و رشد پوشش روی زیرلایه به‌طور مفصل مورد مطالعه قرار خواهند گرفت. در نهایت پارامترهای مهم لیزر مانند طول موج و مزایا و معایب روش لایه‌نشانی با لیزر بررسی خواهند شد.

1- مقدمه
در سنتز پوشش‌های میکرو و نانوساختار با فناوری لیزر، از انرژی حاصل از تابش پرتو لیزر برای تبخیر (یا کندوپاش) طیف وسیعی از مواد مختلف استفاده می‌شود. از این روش برای اولین بار در سال 1962 استفاده شد که طی آن دو دانشمند به نام‌های بریچ (Breech) و کراس (Cross) از لیزر پالسی یاقوت برای تبخیر مواد جامد استفاده کردند. در سال 1965، دو دانشمند به نام‌های اسمیت (Smith) و ترنر (Turner) با استفاده از لیزر پالسی یاقوت، موفق به رسوب‌دهی و رشد لایه‌های نازک با کیفیت مناسب شدند. البته، مطالعه‌های سیستماتیک برای درک بهتر و عمیق‌تر فیزیک برخورد لیزر با جسم جامد، مکانیزم‌های غالب در لایه‌نشانی با لیزر و کیفیت لایه‌های راسب شده با لیزر از سال 1970 آغاز شد و پس از کشف ابررساناهای دمای بالا در سال 1986 مورد توجه بیشتری قرار گرفت. این مطالعات امروزه به‌عنوان یک روش استاندارد آزمایشگاهی مورد پذیرش قرار گرفته است. این روش به نام‌های لایه‌نشانی لیزر پالسی (Pulsed Laser Deposition; PLD) و کندوپاش لیزری (Laser ablation) شناخته می‌شود.

 

2- لایه‌نشانی لیزر پالسی (Pulsed Laser Deposition)
در این روش لایه‌نشانی، همانند بسیاری از روش‌های رایج لایه‌نشانی از قبیل رسوب‌دهی فیزیکی از فاز بخار (PVD)، نیاز به ایجاد شرایط خاص مانند محیط خلأ وجود دارد. استفاده از لیزر پالسی باعث تشکیل لایه‌هایی با چگالی بالا می‌شود. البته کیفیت پوشش‌های سنتز شده با این روش به عوامل مختلفی مانند پهنای پالس، نرخ تکرارپذیری، شدت پالس‌ و ... بستگی دارد که ادامه به‌طور مفصل به آن‌ها پرداخته خواهد شد. علاوه بر لایه‌نشانی، از تبخیر به‌کمک لیزر در کاربردهای دیگری مانند اسپکتروسکوپی جرمی (mass spectroscopy)، لیتوگرافی ماوراء بنفش (ultraviolet lithography) و تولید اتم‌های آزاد برای اسپکتروسکوپی لیزری هم استفاده می‌شود. مشهورترین لیزرهای مورد استفاده برای لایه‌نشانی عبارتنداز: لیزرهای اگزایمر (Excimer laser)، لیزر دی‌اکسید کربن (CO2 laser) و لیزر حالت جامد ND:YAG. روش لایه‌نشانی با استفاده از لیزر یکی از معدود روش‌هایی است که در آن منبع انرژی (لیزر) بیرون از محفظه خلأ قرار می‌گیرد. برای مطالعه بیشتر در مورد انواع لیزرها به پیوست 1 مراجعه کنید.  فیلم 1 نشان دهنده یک دستگاه لایه‌نشانی لیزری است.

 

 

 

فیلم 1- نمونه‌ای از دستگاه لایه‌نشانی لیزری

 

شکل 1- شمایی از اجزای مختلف سیستم لایه‌نشانی لیزری.

 

در این روش، پالس‌های لیزر پس از عبور از بازوی اپتیکی، به‌وسیله یک لنز کانونی‌ساز از جنس کوارتز کانونی (متمرکز) شده و بر روی حجم کوچکی از سطح ماده هدف برخورد می‌کنند. برای یکنواختی بیشتر ضخامت لایه سنتز شده با این روش، ماده هدف به‌طور پیوسته در حال چرخش قرار می‌گیرد. فیلم 2 چرخش نمونه (هدف) برای افزایش یکنواختی لایه را نشان می‌دهد. 

 

 

 

 فیلم 2- چرخش ماده هدف هنگام لایه‌نشانی لیزری برای افزایش یکنواختی.

 

البته امکان روبش سطح با پرتو لیزر فرودی، به‌جای چرخاندن ماده هدف برای دست‌یابی به پوششی یکنواخت وجود دارد. با برخورد پرتو لیزر به ماده هدف، انرژی لیزر جذب ماده شده و برای شکستن پیوندهای شیمیایی بین ذرات به‌کار می‌رود. با شکسته شدن پیوندها، ذرات به شکل‌های مختلفی از سطح ماده هدف جدا شده و در جهت عمود بر سطح هدف از آن خارج می‌شوند. این ذرات در نهایت روی زیرلایه انباشت شده و به‌شکل لایه (پوشش) درمی‌آیند. مدت زمان فرآیند لایه‌نشانی با لیزر بستگی به ضخامت پوشش مورد نظر داشته و برحسب ضخامت، امکان برخورد صدها یا هزاران پالس لیزر به ماده هدف وجود دارد. شکل 2 شمایی از محفظه خلأ دستگاه مورد استفاده در روش لایه‌نشانی با لیزر پالسی را نشان می‌دهد.   

 

شکل 2- شمایی از محفظه خلأ دستگاه مورد استفاده در روش لایه‌نشانی با لیزر پالسی.

 

برای انتقال کامل و مناسب استوکیومتری ماده هدف که متشکل از چند ترکیب شیمیایی است، به پوشش در حال رشد، باید انرژی پرتو لیزر به اندازه کافی زیاد باشد. انرژی زیاد باریکه لیزر باعث تبخیر سریع ماده در یک لایه سطحی نازک شده و در نتیجه منجر به انتقال کامل استوکیوتری ماده هدف به پوشش می‌شود. فرآیند لایه‌نشانی با لیزر پالسی هم در شرایط خلأ و هم در حضور گازهای زمینه‌ای رقیق انجام می‌گیرد. چهار مرحله اصلی لایه‌نشانی لیزری عبارتنداز:

1) برهم‌کنش لیزر- هدف

2) دینامیک مواد کنده شده از سطح نمونه

3) انباشت مواد کنده شده روی زیرلایه

4) هسته‌زایی و رشد لایه روی زیرلایه.

 

1-2- برهم‌کنش لیزر- هدف
شدت باریکه لیزر برخوردی با ماده هدف تعیین‌کننده میزان برهم‌کنش بین پالس‌های لیزر و هدف است. شدت پالس لیزر و مدت زمان اعمال پالس در روش لایه‌نشانی لیزر پالسی به ترتیب برابر با 109-108 وات بر سانتی‌متر مربع (W/cm2) و چند نانوثانیه است. زمان کافی برای جذب پالس‌ها توسط ماده هدف در این روش وجود دارد؛ بنابراین با جذب پالس‌ها سطح ماده هدف گرم شده و در نهایت باعث کنده شدن ماده می‌شود. در حین برخورد لیزر با ماده هدف بسته به انرژی لیزر، نوع لیزر و جنس زیرلایه، فرآیندهای مختلفی رخ می‌دهد که عبارتنداز: کندوپاش، فرآیند حرارتی و فرآیند الکترونیکی.   

 

1-1-2- کندوپاش
حین کندوپاش، تکانه باریکه لیزر فرودی به هدف منتقل شده و باعث خروج ذرات از سطح آن می‌شود. اهمیت این مکانیزم برای ذرات سنگین مانند یون‌ها بیشتر از سایر ذرات بوده و در مورد فوتون‌ها کمترین اهمیت را دارد؛ به‌طوری‌که بیشینه انرژی منتقل شده در مورد فوتون‌ها قابل چشم‌پوشی است.

 

2-1-2- فرآیند حرارتی
در این فرآیند، باریکه لیزر برخوردی با ماده هدف ابتدا سطح کوچکی از آن را ذوب کرده و سپس باعث تبخیر شدن آن می‌شود. افزایش دمای ماده هدف در اثر برخورد پرتو لیزر بسیار بیشتر از نقطه جوش آن است.

 

3-1-2- فرآیند الکترونیکی
فرآیند الکترونیکی خود شامل چند فرآیند است که برانگیختگی و یونش در تمام آن‌ها شباهت زیادی دارد. فوتون‌های فرودی پس از برخورد با ماده هدف، باعث تولید زوج الکترون-حفره شده و منجر به برانگیختگی‌ الکترون‌ها در کسر فمتوثانیه از زمان می‌شوند. فمتوثانیه (Femtosecond) برابر با 15-10 ثانیه است. پس از گذشت تنها چند پیکوثانیه، انرژی باریکه لیزر به شبکه بلور منتقل شده و در طی زمان یک پالس لیزر (چند نانوثانیه)، تعادل گرمایی بین الکترون‌ها و شبکه برقرار می‌شود. با انتقال انرژی باریکه لیزر به شبکه بلور، شبکه به‌شدت گرم شده و باعث خروج ذرات بزرگ از سطح می‌شود. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که انتقال انرژی لیزر به ماده هدف باعث افزایش تعداد نقص‌های بلوری، تضعیف پیوندهای موجود در سطح و کنده شدن ذرات می‌شود.

 

2-2- دینامیک مواد کنده شده از سطح نمونه
اتم‌های تبخیر شده از سطح ماده هدف داغ هستند؛ بنابراین بخشی از این اتم‌ها در حالت بخار یونیزه شده و باعث تولید یک پلاسمای یونیزه شده کامل می‌شوند. علاوه بر پلاسما، ذرات دیگری هم‌چون اتم‌ها، مولکول‌ها، فوتون‌های فرابنفش و الکترون‌ها باعث تشکیل ابری مخروطی‌شکل (plume) با نور مرئی، در مجاورت سطح ماده هدف (با فاصله تقریبی 50 میکرومتری از سطح) می‌شوند که با سرعت به سمت زیرلایه گسترش می‌یابد. شکل 3 تصویری از ابر مخروطی‌شکل در مجاورت ماده هدف را نشان می‌دهد.

 

شکل 3- تصویری از ابر مخروطی‌شکل در مجاورت ماده هدف.

 

دلیل مشاهده نور در هنگام تشکیل این مخروطی، خاصیت فلورسانس (fluorescence) و فرآیند بازترکیب در پلاسما است. با این‌که طول عمر گذارهای اتمی حدود چند نانوثانیه است، برخوردهای رخ داده بین ذرات باعث برانگیخته شدن مجدد اتم‌ها می‌شود؛ به‌طوری‌که امکان مشاهده هر مخروطی پس از گذشت حتی چندین میکروثانیه بعد از هر پالس لیزر وجود دارد. فیلم 3 نحوه تشکیل ابر مخروطی‌شکل حین لایه‌نشانی لیزر پالسی را نشان می‌دهد.   

 

 

 

فیلم 3- نحوه تشکیل ابر مخروطی‌شکل حین لایه‌نشانی لیزر پالسی.

 

رفتار ابر مخروطی‌شکل تولید شده حین لایه‌نشانی با لیزر بستگی به نوع محیط (خلأ یا گازهای زمینه) دارد؛ به‌طوری‌که در خلأ، مخروطی به‌صورت تک‌جهت گسترش نمی‌یابد بلکه به دلیل چگالی بالای پلاسما، مؤلفه‌های سرعت به سمت عقب ظاهر می‌شوند. هم‌چنین، مخروطی تشکیل شده در خلأ فقط در مجاورت ماده هدف مرئی است. از سویی دیگر، در حضور گازهای زمینه مانند اکسیژن، مخروطی تشکیل شده پراکنده و رقیق می‌شود. با پراکنده و رقیق شدن مخروطی، توزیع فضایی، آهنگ انباشت و توزیع انرژی برای گونه‌های مختلف تغییر می‌یابد. به‌عنوان مثال، افزایش فشار اکسیژن (به‌عنوان گاز زمینه) منجر به افزایش فلورسانس، تیز شدن مخروطی، تغییر طول مخروطی، کندتر شدن انتشار مخروطی نسبت به شرایط مشابه در خلأ و محدودیت فضایی بیشتر مخروطی تشکیل شده می‌گردد.

ارتفاع مخروطی تشکیل شده بستگی به چگالی انرژی وارد شده به ماده هدف دارد. اگر اندازه لکه روی ماده هدف کاهش یابد، با ثابت نگه داشتن چگالی انرژی، ماده کمتری از هدف برداشته (کنده) شده و مخروطی تشکیل شده پهن‌تر و کوتاه‌تر می‌شود. از طرفی، امکان تشکیل مخروطی بلندتر با افزایش چگالی انرژی وجود دارد. افزایش چگالی انرژی باعث افزایش سرعت اولیه ذرات می‌شود.

برای دست‌یابی به شرایط مطلوب در لایه‌نشانی با لیزر، پارامترهای فرآیند باید به نحوی تنظیم شوند که نوک مخروطی تشکیل شده با زیرلایه در تماس باشد. مخروطی خیلی کوتاه توانایی انباشت مقادیر مناسب از ماده هدف را روی زیرلایه نداشته، و تشکیل مخروطی خیلی بلند باعث تضعیف چسبندگی لایه به زیرلایه می‌شود.

 

3-2- انباشت مواد کنده شده روی زیرلایه
انباشت مواد کنده شده روی زیرلایه، سومین مرحله‌ در لایه‌نشانی با لیزر است که تأثیر به‌سزایی در کیفیت لایه تولید شده دارد. حین لایه‌نشانی با لیزر، سطح زیرلایه توسط هیتر گرم می‌شود. سطح زیرلایه گرم توسط ذرات جدا شده از سطح ماده به دلیل انرژی بالای پرتو لیزر، بمباران می‌شود. در این شرایط، ذرات حاصل از کندوپاش زیرلایه و ذرات حاصل از ماده هدف که در داخل مخروطی قرار دارند، یک ناحیه برخوردی تشکیل داده و باعث چگالش ذرات روی زیرلایه می‌شوند. هنگامی‌که آهنگ چگالش به اندازه کافی زیاد باشد، تعادل گرمایی ایجاد شده و رشد لایه (پوشش) روی سطح زیرلایه شروع می‌شود. البته، امکان آسیب دیدن سطح زیرلایه یا لایه در حال رشد، به‌دلیل بمباران ذرات وجود دارد.  

 

4-2- هسته‌زایی و رشد لایه روی زیرلایه
هسته‌زایی و رشد لایه‌های کریستالی روی زیرلایه به عوامل متعددی مانند دانسیته، انرژی، درجه یونیزاسیون، درجه حرارت و ماهیت فیزیکی-شیمیایی زیرلایه بستگی دارد. البته، دو پارامتر اصلی تعیین‌کننده فرآیند رشد عبارتند از دمای زیرلایه و پارامتر فوق اشباع. این دو پارامتر طبق معادله 1 با یک‌دیگر در ارتباط هستند:

(1)              filereader.php?p1=main_a36baabaf1883572bd3c71835bcaf6d5.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

 

در این معادله، k نشان‌دهنده ثابت بولتزمن، R آهنگ واقعی انباشت، Re مقدار تعادل در درجه حرارت T و Δm پارامتر فوق اشباع است.

 

3- پارامترهای مهم در لیزر
در بخش‌های قبلی، بیشتر به پارامترهای مؤثر در انباشت پرداخته شد. با توجه به نقش بسیار مهم لیزر در روش لایه‌نشانی با لیزر، در ادامه به پارامترهای مهم لیزر مانند طول موج، مدت پالس، آهنگ تکرار پالس، انرژی پالس و پروفیل باریکه پرداخته خواهد شد.

 

1-3- طول موج
طول موج لیزر نقش مهمی در تعیین کیفیت و خواص لایه حاصل از روش لایه‌نشانی با لیزر ایفا می‌کند. لایه‌های راسب شده با لیزرهای با طول موج کوتاه (در محدوده فرابنفش) از کیفیت بالایی برخوردار هستند. دلیل این موضوع کمتر بودن بازتاب گستره وسیعی از مواد، در طول موج‌های کوتاه نسبت به طول موج‌های بلندتر است. استفاده از لیزر با طول موج کوتاه باعث افزایش جذب پالس‌ها به زیرلایه شده و به این ترتیب تعداد ذرات کنده شده از ماده هدف افزایش می‌یابد. مهم‌ترین اثر طول موج لیزر، تعیین عمق نفوذ باریکه لیزر در ماده هدف است. به‌دلیل ضریب جذب بزرگ‌تر در ناحیه فرابنفش، انرژی پرتو لیزر در یک لایه سطحی ماده هدف جذب شده و از تبخیر لایه‌های زیرین جلوگیری می‌کند. با حذف تبخیر لایه‌های زیرین، مقدار ریزقطرات (Droplets) تشکیل شده در لایه کاهش می‌یابد. هم‌چنین، مکانیزم‌های برهم‌کنش لیزر- جامد به شدت به طول موج لیزر بستگی دارد.

 

2-3- مدت پالس
از آن‌جایی‌که مدت پالس‌های اعمالی حین فرآیند لایه‌نشانی با لیزر در محدوده نانوثانیه است، اجرای این فرآیند نیازمند کنترل دقیق پارامترهای مختلف لیزر مانند شکل پالس، پروفیل و توزیع شدت باریکه است. البته در بیشتر موارد امکان استفاده از مقادیر بهینه تمام این پارامترها وجود ندارد؛ به‌همین دلیل ریزذرات وارد لایه می‌شوند. در پژوهش‌های انجام گرفته طی سال‌های اخیر، با استفاده از پالس‌های با طول موج خیلی کوتاه (در حد فمتوثانیه و پیکوثانیه)، مشکلات ناشی از حضور ریزذرات در لایه‌ها تا حد زیادی کاهش یافته است. دلیل این موضوع، انباشت آنی انرژی روی سطح ماده هدف در پالس‌های کوتاه است. در این شرایط، پیش از انتقال گرما به شبکه بلور، انرژی جذب الکترون‌ها می‌شود و در نتیجه، فرآیند تبخیر بدون گرمایش شدید ماده هدف رخ می‌دهد (باید توجه داشت که در این شرایط، ماده بدون ذوب شدن تبخیر می‌شود).

 

3-3- آهنگ تکرار پالس
برای دست‌یابی به یک لایه صاف باید ذرات تبخیر شده زمان کافی را داشته باشند. به‌این منظور، آهنگ تکرار پالس لیزر باید به اندازه کافی پایین (حدود 10 هرتز) باشد. از طرفی، اگر آهنگ تکرار پالس خیلی پایین باشد، از رشد لایه‌های اپیتکسیال (هم‌محور) به دلیل رخ دادن برهم‌کنش‌های شیمیایی سریع ممانعت به‌عمل می‌آید.    

 

4-3- انرژی پالس
ترسیب لایه‌هایی همگن از روش لایه‌نشانی با لیزر نیازمند یکنواخت بودن انرژی پالس در طول فرآیند است. چگالی انرژی پالسی حین فرآیند لایه‌نشانی با لیزر باید دارای مقداری بهینه باشد تا تمام عناصر موجود در ماده هدف به صورت استوکیومتری از سطح آن کنده شوند. اگر چگالی انرژی لیزر بیشتر از مقدار بهینه باشد منجر به خروج تکه‌های بزرگ از ماده هدف می‌شود که این پدیده، یکنواختی سطح لایه انباشت شده را از بین می‌برد. چگالی انرژی بهینه پالس برای ایجاد یک لایه یکنواخت حدود 3-2 ژول بر سانتی‌متر مربع (J/cm2) است. انرژی پالس بهینه (به حد کافی زیاد) دارای دو مزیت برجسته است که عبارتند از:

· افزایش تنوع در انتخاب ماده هدف‌

· افزایش سطح تبخیر شده ماده هدف که باعث افزایش آهنگ انباشت و کاهش زاویه مخروطی می‌شود.

 

5-3- پروفیل باریکه
پروفیل باریکه یکنواخت و بزرگ باعث استفاده حداکثری از سطح ماده هدف شده و در نتیجه منجر به تشکیل لایه‌ای یکنواخت می‌شود. در یک باریکه با پروفیل غیریکنواخت، چگالی انرژی در نزدیک لبه‌ها به‌شدت کاهش می‌یابد که این موضوع منجر به کاهش یکنواختی در ضخامت لایه شده و استوکیومتری آن را از بین می‌برد.

در طی سال‌های گذشته، روش لایه‌نشانی لیزری پیشرفت چشم‌گیری داشته است. یکی از پیشرفت‌های این روش، استفاده از لایه‌نشانی با باریکه یونی (Ion Beam Assisted Deposition; IBAD) در کنار لایه‌نشانی لیزری است. شکل 4 شمایی از نحوه کار این روش را نشان می‌دهد.  

 

شکل 4- شمایی از نحوه کار روش لایه‌نشانی لیزری با IBAD.

 

در این روش، هم‌زمان با لایه‌نشانی لیزری، ذرات گسیل شده از سطح ماده هدف که در حال حرکت به سمت زیرلایه هستند، توسط یون‌های خروجی از چشمه یونی کافمن (Kaufman ion source) بمباران می‌شوند. شکل 5 تصویری از چشمه یونی کافمن را نشان می‌دهد.

 

شکل 5- تصویری از چشمه یونی کافمن.

 

استفاده از این چشمه یونی باعث افزایش انرژی ذرات فرودی روی سطح زیرلایه می‌شود. بنابراین، چگالی لایه راسب شده به شدت افزایش پیدا کرده و خواص و کیفیت آن به‌طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. فیلم 4 انیمیشنی از نحوه استفاده از روش IBAD در لایه‌نشانی لیزری را نشان می‌دهد.

 

 

 

فیلم 4- انیمیشن نحوه استفاده از تکنیک IBAD در لایه‌نشانی لیزری.  

 

استفاده از تجهیزات جانبی در روش لایه‌نشانی با لیزر پالسی بستگی به نوع، کیفیت و کاربرد مورد انتظار از لایه مورد نظر دارد. از تجهیزات جانبی زیادی برای بهبود خواص لایه‌های حاصل از این روش استفاده می‌شود که در میان آن‌ها ایجاد محیط پلاسما یا استفاده از چشمه یونی کاربرد بیشتری دارند.

 

4- مزایای روش لایه‌نشانی لیزر پالسی
- اصلی‌ترین مزیت این روش فرآگیر بودن آن است؛ به این معنی‌که امکان استفاده از مواد مختلف مانند اکسیدها، نیتریدها، کاربیدها، ابررساناهای دما بالا، نیمه‌رساناها، فلزات و حتی پلیمرها برای انباشت لایه‌های سرامیکی مانند (Yttrium barium copper oxide; YBCO)، پوشش‌های سخت مانند TiC و SiC، آلیاژهای پیچیده مانند La1-xSrxMnO3 و لایه‌های چندلایه مانند ابرشبکه‌ها و پیوندهای p-n ناهمگون وجود دارد.

- مزیت‌ مهم دیگر این روش، توانایی حفظ ترکیب ماده هدف در لایه انباشت شده است. به‌عبارت دیگر، انتقال عالی استوکیومتری بین ماده هدف و لایه، باعث استفاده از این روش در لایه‌نشانی ترکیب‌هایی که دارای تعداد زیادی از عناصر (مانند SrTiO3 و BaPb1-xBixO3) هستند، می‌شود. انباشت چنین ترکیب‌هایی با استفاده از یک ماده هدف، سیستم‌های تبخیری و فرآیند کندوپاش امکان‌پذیر نیست؛ زیرا فشارهای بخار جزئی و بازده‌ کندوپاش عناصر مختلف در یک ترکیب با یک‌دیگر تفاوت دارند. استفاده از این روش‌ها برای لایه‌نشانی چنین ترکیباتی باعث استوکیومتری متفاوت لایه انباشت شده می‌شود. از سویی دیگر، استفاده از لایه‌نشانی لیزری امکان انتقال استوکیومتری با استفاده از یک ماده هدف را فراهم می‌کند، زیرا گرم شدن سریع و شدید ماده هدف (تا 5000 درجه کلوین) طی چند نانوثانیه باعث تبخیر تمام عناصر موجود در ماده هدف، صرف‌نظر از انرژی‌های‌ متفاوت پیوند آن‌ها، می‌شود.  

- آهنگ انباشت بالای روش (در حدود 0.01 نانومتر به ازای هر پالس لیزر).

- امکان کنترل انباشت توسط لیزر و عدم نیاز به شاتر (shutter) برای متوقف کردن فرآیند رشد.

- تمیز بودن روش به دلیل قرار گرفتن منبع انرژی در بیرون محفظه خلأ.

- قابلیت دست‌یابی به خلأ بالا به دلیل قرار گرفتن منبع انرژی در بیرون محفظه خلأ.

- استفاده از زیرلایه‌هایی با دمای پایین به دلیل انرژی بالای ذرات در مخروطی که به فرآیند رشد کمک می‌کنند.

- توانایی تعویض چندین هدف مختلف.

 

5- معایب لایه‌نشانی لیزر پالسی
- یکی از معایب این روش، کوچک بودن سطح مقطع مخروطی به دلیل محدودیت اندازه لکه لیزر (حدود 1 سانتی‌متر مربع) است. بنابراین، اندازه زیرلایه محدود می‌شود. البته، با استفاده از روبش باریکه لیزر می‌توان بر این چالش غلبه کرد.  

- کنترل بسیار دشوار یکنواختی ضخامت به دلیل جهت‌گیری مخروطی به سمت جلو.

- تغییرشکل سطح ماده هدف با گذشت زمان. این موضوع باعث تغییر در مقدار جذب لیزر در سطح ماده هدف شده و آهنگ انباشت را تغییر می‌دهد. 

- یکی از مهم‎ترین معایب لایه‌نشانی لیزری، پاشیده شدن (پراکنده شدن) ذرات ریز و درشت (Droplet) از سطح ماده هدف به سمت زیرلایه است که باعث کاهش یکنواختی سطح لایه می‌شود. راه‌حل این مشکل، بهینه‌سازی چگالی انرژی و اندازه لکه لیزر روی سطح ماده هدف است.

- عدم شناخت ماهیت اصلی پلاسما که مکانیزم اصلی در این روش به‌شمار می‌رود. بنابراین، برای به دست‌یابی به شرایط بهینه انباشت، نیاز به تکرار بسیار زیاد این فرآیند وجود دارد.

- هزینه بالای روش به‌دلیل قرار گرفتن منبع (لیزر) در بیرون از محفظه خلأ .

- شیشه کوارتزی مورد استفاده در این روش که باعث عبور پرتو لیزر می‌شود. پس از انجام لایه‌نشانی‌های متعدد، این شیشه مات شده و نیاز به تعویض پیدا می‌کند.

- دشوار بودن انتخاب لیزر با طول موج تطبیق‌پذیر با خواص جذبی ماده هدف.

 

به دلیل مشکلات و معایب اشاره شده، هم‌اکنون از دستگاه‌های لایه‌نشانی لیزری فقط به صورت تحقیقاتی و آزمایشگاهی استفاده می‌شود و استفاده تجاری از آن‌ها هنوز گسترش نیافته است.

 

نتیجه‌گیری

در سنتز پوشش‌های میکرو و نانوساختار با فناوری لیزر، از انرژی حاصل از تابش پرتو لیزر برای تبخیر (یا کندوپاش) محدوده وسیعی از مواد مختلف استفاده می‌شود. در این مقاله به بررسی انباشت لیزری و رسوب‌دهی با لیزر پالسی، انواع برهم‌کنش‌های لیزر-هدف، دینامیک مواد کنده شده از نمونه، انباشت مواد کنده شده روی زیرلایه و هسته‌زایی و رشد پوشش روی زیرلایه، و هم‌چنین پارامترهای کلیدی، مزایا و محدودیت‌های روش لایه‌نشانی با لیزر پرداخته شد. گفته شد که در این روش لایه‌نشانی، همانند بسیاری از روش‌های رایج لایه‌نشانی از قبیل رسوب‌دهی فیزیکی از فاز بخار، نیاز به ایجاد شرایط خاص مانند محیط خلأ وجود دارد. مشهورترین لیزرهای مورد استفاده در این روش عبارتنداز: لیزرهای اگزایمر، لیزر دی‌اکسیدکربن و لیزر حالت جامد ND:YAG. تأکید شد که روش لایه‌نشانی با استفاده از لیزر یکی از معدود روش‌هایی است که در آن منبع انرژی (لیزر) بیرون از محفظه خلأ قرار می‌گیرد. اشاره شد که برای انتقال کامل و مناسب استوکیومتری به پوشش در حال رشد، هنگامی‌که ماده هدف متشکل از چند ترکیب شیمیایی است، باید انرژی پرتو لیزر به اندازه کافی زیاد باشد. اشاره شد که در حین برخورد لیزر با ماده هدف بسته به انرژی لیزر، نوع لیزر و جنس زیرلایه، فرآیندهای مختلفی رخ می‌دهد که عبارتند از: کندوپاش، فرآیندحرارتی و فرآیند الکترونیکی. گفته شد که اتم‌های تبخیر شده از سطح ماده هدف داغ هستند؛ بنابراین بخشی از این اتم‌ها در حالت بخار یونیزه شده و باعث تولید یک پلاسمای یونیزه شده کامل می‌شوند. علاوه بر پلاسما، ذرات دیگری هم‌چون اتم‌ها، مولکول‌ها، فوتون‌های فرابنفش و الکترون‌ها باعث تشکیل ابری مخروطی‌شکل  با نور مرئی، در مجاورت سطح ماده هدف می‌شوند که با سرعت به سمت زیرلایه گسترش می‌یابد. تأکید شد که هسته‌زایی و رشد لایه‌های کریستالی روی زیرلایه به عوامل متعددی مانند دانسیته، انرژی، درجه یونیزاسیون، درجه حرارت و ماهیت فیزیکی-شیمیایی زیرلایه بستگی دارد. پارامترهای مهم لیزر مانند طول موج، مدت پالس، آهنگ تکرار پالس، انرژی پالس و پروفیل باریکه معرفی شدند.

 

پیوست‌ها

پیوست 1

لیزر اگزایمر نوعی لیزر فرابنفش است که در جراحی چشم و ساخت نیمه‌رساناها کاربرد دارد. واژه اگزایمر از عبارت "دیمر تحریک شده" حاصل شده است؛ بدین معنی که یک مولکول دو اتمی وقتی در حالت تحریک قرار گرفته، پایدار است اما با قرار گرفتن در حالت پایه، ناپایدار می‌شود. موادی که این ویژگی را دارند عبارتنداز: گازهای نجیب مانند KrF، ArF و XeCl.

لیزر دی‌اکسیدکربن نمونه‌ای از یک لیزر گاز مولکولی پرقدرت است. باریکه خروجی این لیزر با کانونی شدن، توانایی برش صفحات ضخیم الماس و فولاد را دارد. تابش خروجی این لیزر به‌صورت فروسرخ (فوتون‌های کم‌انرژی) است.

لیزر حالت جامد به لیزری گفته می‌شود که در آن، ماده لیزری به‌شکل بلور یا شیشه‌ای است. انواع لیزرهای حالت جامد عبارتنداز: لیزر یاگ یاقوتی ساده (YAG)، لیزر حالت جامد یون فلزی، لیزر Nd:YAG، لیزر Er و لیزر نئودیمیم. لیزر Nd:YAG در میان لیزرهای حالت جامد بیشترین کاربرد را دارد. بلور مورد استفاده در این لیزرها سخت است و کیفیت اپتیکی مناسب و ضریب هدایتی بالایی دارد.

 

منابـــع و مراجــــع

Voevodin, A. A., and M. S. Donley. "Preparation of amorphous diamond-like carbon by pulsed laser deposition: a critical review." Surface and Coatings Technology 82, no. 3 (1996): 199-213.

Voevodin, A. A., M. S. Donley, and J. S. Zabinski. "Pulsed laser deposition of diamond-like carbon wear protective coatings: a review." Surface and Coatings Technology 92, no. 1-2 (1997): 42-49.

Phillips, Katherine C., Hemi H. Gandhi, Eric Mazur, and S. K. Sundaram. "Ultrafast laser processing of materials: a review." Advances in Optics and Photonics 7, no. 4 (2015): 684-712.

Ahmed, Naveed, Saied Darwish, and Abdulrehman M. Alahmari. "Laser ablation and laser-hybrid ablation processes: a review." Materials and Manufacturing Processes 31, no. 9 (2016): 1121-1142.

Yang, Zhibin, Jianhua Hao, Shuoguo Yuan, Shenghuang Lin, Hei Man Yau, Jiyan Dai, and Shu Ping Lau. "Field‐effect transistors based on amorphous black phosphorus ultrathin films by pulsed laser deposition." Advanced Materials 27, no. 25 (2015): 3748-3754.

Eason, Robert. Pulsed laser deposition of thin films: applications-led growth of functional materials. John Wiley & Sons, 2007.