برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۴/۰۱ تا ۱۳۹۸/۰۴/۰۷

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۸۹
  • بازدید این ماه ۳۱
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۸۸
  • قبول شدگان ۷۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۵
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۰
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

لایه‎نشانی فیزیکی از فاز بخار: لایه‌نشانی تبخیری با باریکه الکترونی (2)

فرآیند پوشش‌دهی یکی از مهم‌ترین مباحث روز مهندسی سطح بوده و نقش به‌سزایی در تعیین خواص و کاربرد یک قطعه تولید‌شده دارد. با توسعه روش‌های پوشش‌دهی و هم‌چنین گسترش روزافزون خواص پوشش‌های تولید‌ی، امکان استفاده مؤثر از این پوشش‌ها در صنایعی هم‌چون ادوات اپتیکی، میکروالکترونیک، معماری و ساختمان‌سازی فراهم شده است. روش‌های بسیار متنوع و زیادی برای تولید پوشش مناسب بسته به کاربرد آن وجود دارد. این روش‌ها هم در خلأ و هم در اتمسفر هوا انجام می‌پذیرند. روش لایه‌نشانی فیزیکی از فاز بخار (Physical Vapor Deposition, PVD)، یکی از روش‌های نوین و پرکاربردی است که در خلأ انجام می‌شود. فرآیند لایه‌نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی (Electron Beam Evaporation) یکی از زیرشاخه‌های روش لایه‌نشانی فیزیکی از فاز بخار به‌شمار می‌رود. در این مقاله، به طور اجمالی به معرفی فرآیند لایه‌نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی پرداخته شده و اصول و مبانی آن مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. همچنین، پیکربندی‌های مختلف برای هدایت و متمرکز کردن باریکه الکترونی، فرآیند جوانه‌زنی و رشد، مزایا، معایب و کاربردهای این روش، به طور مفصل بیان می‌شود. 

1- مقدمه
روش لایه نشانی فیزیکی از فاز بخار یکی از روش‌های نوین در صنعت پوشش‌دهی است که رشد چشم‌گیری در سال‌های اخیر داشته است. مراحل اصلی فرآیند لایه‌نشانی فیزیکی از فاز بخار تحت شرایط خلأ شامل تبخیر ماده منبع، انتقال بخار از منبع به زیرلایه و تشکیل لایه نازک روی زیر لایه با انباشت بخار حاصل از ماده منبع است. در این روش امکان تنظیم ضخامت پوشش راسب‌شده، با کنترل مقدار ماده انباشت‌شده وجود دارد. لایه‌نشانی فیزیکی از فاز بخار یک فرآیند دوست‌دار محیط زیست بوده و امکان تولید پوشش‌هایی با ضخامت یکنواخت و سختی مناسب را فراهم می‌کند. همچنین، این روش قابلیت پوشش‌دهی گستره وسیعی از مواد از انواع فولادها تا پلاستیک‌های متنوع را دارد. روش لایه‌نشانی تبخیری با باریکه الکترونی از زیرمجموعه‌های این روش به‌شمار می‌رود.

در روش پوشش‌دهی با استفاده از باریکه الکترونی، انرژی مورد نیاز برای تبخیر ماده منبع (ماده‌ای که قرار است به عنوان پوشش روی زیرلایه راسب شود) از انتقال انرژی الکترون‌ها به ماده منبع تأمین می‎شود. یکی از مشکلات احتمالی در این روش، امکان اکسید‌ شدن فلز تبخیر‌شده است. به عبارت دیگر، در صورتی‌که گاز اکسیژن در سیستم موجود باشد، احتمال واکنش فلز تبخیر‌شده با آن وجود دارد. از سویی دیگر، حضور مولکول‌های هوا در مسیر انتقال بخار فلز از ماده منبع به زیرلایه باعث کاهش نرخ رسوب‌گذاری شده و از تشکیل پوشش با چگالی بالا ممانعت می‌کند. بنابراین، استفاده از محیط خلد به دلیل کاهش تعداد برخورد بین مولکول‌ها و همچنین جلوگیری از اکسید‌شدن آن‌ها، برای انجام هرچه بهتر این روش ضروری است. خلأ مناسب برای انجام موفقیت‌آمیز این روش در محدوده Torr 10-9-10-12 بوده و از ترکیبی از پمپ‌های مکانیکی و توربو برای رسیدن به آن استفاده می‌شود. شکل 1 تصویری از پمپ توربو را نشان می‌دهد.

 


شکل 1- تصویری از پمپ توربو.

 

در فرآیند لایه‌نشانی تبخیری با استفاده از باریکه الکترونی، باریکه‌ای از الکترون‌های پرانرژی از فیلامان (رشته داغ) به سمت ماده منبع گسیل شده و انرژی مورد نیاز برای تبخیر ماده منبع را تأمین می‌کنند. فرآیند تبخیر با باریکه الکترونی دارای سیستمی متشکل از یک آند و یک کاتد است که در آن آند به طور مثبت بایاس شده و کاتد یا به زمین متصل است یا نسبت به آند دارای بایاس منفی است. برای مطالعه بیشتر در مورد "بایاس‌کردن" به پیوست 1 در انتهای متن مراجعه کنید. با اعمال ولتاژ مستقیم (DC) بایاس 40-10 کیلوولت، الکترون‌ها از فیلامان خارج شده و به سمت ماده منبع حرکت می‌کنند. فیلامان معمولاً از جنس تنگستن است. شکل 2 شمایی از دستگاه لایه‌نشانی تبخیری با استفاده از باریکه الکترونی را نشان می‌دهد.

 

شکل 2- شمایی از دستگاه لایه نشانی تبخیری با استفاده از باریکه الکترونی. ابتدا، الکترون‌ها پس از انتشار از فیلامان تنگستنی به شکل یک باریکه، به کمک میدان مغناطیسی، به سمت هدف یا ماده منبع، هدایت می‎شوند تا انرژی مورد نیاز برای تبخیر ماده منبع را تأمین کنند. در نهایت، این ماده تبخیر شده و به دلیل اختلاف فشار به سمت زیرلایه حرکت کرده و پوششی از ماده مورد نظر روی زیرلایه ترسیب می‌شود.

 

2- پیکربندی‌های مختلف برای هدایت و متمرکز‌کردن باریکه الکترونی
ماده تبخیر‌شده توسط برخورد باریکه الکترونی معمولاً در راستای خط مستقیم به سمت زیرلایه حرکت می‌کند. برای تشکیل پوشش‌هایی با ضخامت یکنواخت، زیرلایه‌ها روی چرخاننده‌هایی قرار داده شده و در حین فرآیند می‌چرخند. همچنین، برای جلوگیری از پخش‌شدن ماده تبخیر‌شده در مسیر انتقال از منبع تا زیرلایه، محافظ‌هایی در داخل محفظه قرار داده می‌شود. این محافظ‌ها علاوه بر ممانعت از پخش بخار ماده درون محفظه و آلوده‌شدن سایر اجزای دستگاه، باعث افزایش کارآیی فرآیند از طریق کمک به ترسیب تمام بخار موجود روی زیرلایه می‌شوند.

تمام باریکه الکترونی تولید‌شده برای تبخیر ماده منبع به طور مستقیم به سمت ماده منبع حرکت نمی‌کند، به گونه‌ای که بخشی از الکترون‌ها با خروج از محور اصلی و برخورد با محفظه واکنش، منجر به گرم‌شدن آن می‌شوند. بنابراین، برای افزایش کارآیی فرآیند و جلوگیری از آسیب‌دیدن محفظه به دلیل افزایش دما، ایجاد روزنه‌هایی برای متمرکز‌ کردن باریکه الکترونی ضروری است. تاکنون، پیکربندی‌های مختلفی برای باریکه الکترونی مورد استفاده در تبخیر ماده منبع طراحی شده است. تعدادی از پیکربندی‌های پیشنهادی برای افزایش کارآیی در تبخیر ماده منبع و کاهش برخورد الکترون‌ها به دیواره محفظه در شکل 3 نشان داده شده است. در شکل 3-الف، اعمال یک میدان الکتروستاتیک منفی به الکترود استوانه‌ای باعث حرکت الکترون‌های گسیل‌شده از کاتد در یک مسیر بیضی‌مانند می‌شود. هم‌چنین، تعدادی لوله به انتهای بوته که ماده منبع درون آن نگه داشته می‌شود، متصل است که جریان آب درون آن‌ها باعث خنک شدن بوته می‌شود. ویژگی اصلی پوشش‌های حاصل از این نوع از پیکربندی، عدم برخورد ماده تبخیر‌شده با روزنه متمرکزکننده و فیلامان است. بنابراین، با این نوع طراحی می‌توان از آلوده‌شدن فیلامان (ترسیب پوشش روی فیلامان) جلوگیری کرده و بازدهی و طول عمر مفید آن را افزایش داد.

نوع دیگری از پیکربندی پیشنهاد‌شده، استفاده از سیم‌پیچ‌های الکترومغناطیسی برای هدایت و متمرکز‌کردن باریکه الکترونی است. شمایی از این نوع پیکربندی در شکل 3-ب نشان داده شده است. ویژگی اصلی این نوع طراحی، تمرکز بالای باریکه الکترونی و جلوگیری از انحراف الکترون‌ها است که منجر به افزایش یکنواختی پوشش‌ها می‌شود. در این نوع پیکربندی، الکترون‌های گسیل‌شده از فیلامان به پشت کاتد برخورد کرده و باعث گرم‌شدن و تبخیر آن می‌شوند. کاتدهای مورد استفاده در این نوع طراحی به صورت نیم‌دایره هستند که یکنواختی لایه رسوبی را بهبود می‌بخشند.   

آخرین نوع پیکربندی معرفی‌شده در این مقاله، استفاده از یک آند (تفنگ الکترونی) برای گسیل الکترون‌ها از فیلامان است. در این نوع پیکربندی، از سیم‌پیچ‌های الکترومغناطیسی برای خم و متمرکز‌کردن باریکه الکترونی استفاده می‌شود. برای خم‌کردن باریکه الکترونی، جریان سیم‌پیچ‌های الکترومغناطیسی تغییر داده می‌شود تا الکترون‌ها با الگوی لیساژو (Lissajous patterns) یا منحنی‌های سینوسی دوبعدی حرکت کنند. یکی دیگر از ویژگی‌های این پیکربندی، وجود دریچه‌ای به نام shutter است. هنگامی‌که با برخورد باریکه الکترون متمرکز‌شده به ماده منبع، دما افزایش یافته و ماده شروع به تبخیر کرد، این دریچه‌ باز شده و پوشش مورد نظر روی زیرلایه راسب می‌شود. شمایی از این پیکربندی در شکل 3-ج نشان داده شده است. استفاده از این پیکربندی‌ها امکان پوشش‌دهی مواد نارسانا مانند فلورید کلسیم را با استفاده از روش لایه‌نشانی با تبخیر باریکه الکترونی فراهم می‌سازد. معمولاً برای بهبود کارآیی نوری دوربین‌ها، پوشش فلورید کلسیم روی لنز دوربین رسوب داده می‌شود.

 

شکل 3- شمایی از پیکربندی‌های پیشنهاد‌شده برای افزایش کارآیی تبخیر ماده منبع و کاهش برخورد الکترون‌ها به دیواره محفظه: (الف) باریکه الکترونی تبخیر‌کننده با الکترود استوانه‌ای متمرکز‌کننده که در آن با استفاده از میدان الکتروستاتیکی حاصل از اعمال ولتاژ به الکترود استوانه‌ای، باریکه الکترونی هدایت و متمرکز می‌شود؛ (ب) باریکه الکترونی تبخیر‌کننده که هدایت و تمرکز باریکه در آن با استفاده از شتاب‌دهنده الکترومغناطیسی صورت می‌پذیرد؛ و (ج) باریکه الکترونی تبخیر‌کننده با استفاده از آند (تفنگ الکترونی).

 

3- فرآیند تبخیر با استفاده از باریکه الکترونی
با برخورد باریکه الکترونی پر انرژی به ماده منبع و گرم‌شدن آن، ماده منبع شروع به تبخیر کرده و مقادیر زیادی بخار از آن آزاد می‌شود. حرکت بخار آزاد‌شده از ماده به سمت زیرلایه به دلیل وجود اختلاف فشار صورت می‌گیرد. هنگامی‌که بخار حاصل از ماده منبع به مجاورت زیرلایه می‌رسد، چگالش یافته و با انتقال گرمای خود به زیرلایه از فاز بخار به فاز جامد تبدیل می‌شود. البته، در صورت عدم رعایت شرایط بهینه طراحی مانند فاصله ماده منبع از زیرلایه، امکان ذوب زیرلایه توسط بخار وجود دارد. بنابراین، بایستی فاصله میان ماده منبع و زیرلایه نه آن‌قدر زیاد باشد که بخار در طول مسیر و قبل از رسیدن به زیرلایه چگالش یابد، و نه آن‌قدر کم باشد که بخار داغ با برخورد به زیرلایه باعث ذوب آن شود.     

از آن‌جایی‌که در این روش ماده منبع درون بوته‌ قرار می‌گیرد (شکل 3)، انتخاب نوع بوته‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. بوته‌های مورد استفاده در این روش از جنس سرامیکی و فلزی هستند. معمولاً بوته‌ها از جنس مس یا گرافیت انتخاب می‌شوند. دلیل این انتخاب، انتقال حرارت مناسب مس و گرافیت است و لذا می‌توان آن‌ها را به راحتی با استفاده از سیستم آب‌گرد (شکل 2) خنک کرد. تعدادی از بوته‌های متداول مورد استفاده در روش تبخیر با باریکه الکترونی در شکل 4 نشان داده شده است.

 

شکل 4- تعدادی از بوته‌های متداول مورد استفاده در روش تبخیر با باریکه الکترونی.

 

نکته بسیار مهم در انتخاب نوع بوته‌ها، اطمینان از عدم واکنش آن‌ها با ماده منبع است. باریکه الکترونی حاوی انبوهی از الکترون‌ها است. با برخورد باریکه الکترونی به ماده منبع، بخشی از سطح آن که در معرض باریکه قرار دارد، باردار شده و از رسیدن الکترون‌ها به سایر قسمت‌ها جلوگیری می‌کند. بنابراین، بوته باید به زمین متصل باشد تا الکترون‌های اضافی از این طریق به زمین منتقل شوند. البته، باریکه الکترونی به‌طور متمرکز تنها روی یک نقطه از ماده منبع تابیده نمی‌شود، بلکه تمام سطح آن را جاروب می‌کند. متمرکز‌شدن باریکه الکترونی روی نقطه مشخصی از ماده منبع به دلیل انرژی بالای الکترون‌ها موجب سوراخ‌شدن آن خواهد شد.   

روش لایه‌نشانی تبخیری با استفاده از باریکه الکترونی، یک فرآیند گرمایی محسوب می‌شود. با در نظر گرفتن این موضوع که امکان دست‌یابی به دماهای بالا با استفاده از باریکه پُرانرژی الکترونی وجود دارد، لذا می‌توان از این روش برای لایه‌نشانی اکسیدهای فلزی (مواد سرامیکی) با نقطه ذوب بالا استفاده کرد. علاوه بر مواد سرامیکی، می‌توان پوشش یکنواختی از فلزاتی مانند آلومینیوم، پالادیوم، تیتانیم، طلا، ژرمانیوم، نیکل، کروم و پلاتین را با استفاده از این روش روی زیرلایه‌ راسب کرد. البته انتخاب بوته مناسب برای لایه‌نشانی هر کدام از این مواد، ضروری بوده و تمام این مواد را نمی‌توان با استفاده از بوته‌های مشابه لایه‌نشانی کرد.

یکی از چالش‌های پیش‌روی لایه‌نشانی برخی از کاربیدها مانند کاربید تیتانیوم و کاربید زیرکونیوم، تجزیه آن‌ها در فاز بخار است. استفاده از روش لایه‌نشانی تبخیری با استفاده از باریکه الکترونی از تجزیه کاربیدها در فاز بخار جلوگیری کرده و باعث افزایش یکنواختی و خلوص پوشش حاصل می‌شود. از سویی دیگر، برخی از اکسیدها مانند اکسید آلومینیوم (آلومینا، Al2O3) در اثر برخورد باریکه الکترونی، به Al ،AlO3 و Al2O تجزیه شده و باعث ایجاد اختلاف در نسبت استوکیومتری و ترکیب شیمیایی بین ماده منبع و پوشش راسب‌شده می‌شود. یک راهکار برای تولید آن دسته از پوشش‌های اکسیدی که در معرض باریکه الکترونی تجزیه می‌شوند، استفاده از روش تبخیر واکنشی است. در این روش، اکسیژن به داخل محفظه وارد می‌شود. از طرفی، فلز داخل بوته در اثر برخورد باریکه الکترونی در حال تبخیر است. بخار فلز در مجاورت زیرلایه با اکسیژن واکنش داده و لایه‌ای از اکسید فلز روی سطح تشکیل می‌شود. تجزیه مواد سرامیکی تنها مختص اکسیدهای فلزی نبوده و برخی از کاربیدهای فلزی نیز در حین فرآیند لایه‌نشانی توسط باریکه الکترونی تجزیه می‌شوند. استفاده از رویکرد تبخیر واکنشی برای این مواد نیز نتایج مطلوبی داشته است. تنها تفاوت میان تبخیر واکنشی کاربیدها و اکسیدها، استفاده از استیلن (C2H2) به‌جای اکسیژن است. استیلن به دلیل دارا بودن کربن در ساختار خود، می‌تواند کاهش کربن ناشی از تجزیه کاربید را جبران کرده و مانع از به وجود آمدن اختلاف ترکیب ‌شیمیایی ماده منبع و پوشش شود. راهکاری دیگر برای جلوگیری از تجزیه برخی کاربیدهای فلزی حین این فرآیند، لایه‌نشانی با استفاده از دو بوته مجزا (یکی حاوی ماده منبع فلز و دیگری حاوی ماده منبع کربن) است. در این شرایط، با برخورد باریکه الکترونی به هر دو بوته و تبخیر آن‌ها به صورت مجزا، بخار حاصل از این دو ماده در هنگام رسیدن به زیرلایه به طور شیمیایی و تحت شرایط ترمودینامیکی مناسبی با یک‌دیگر ترکیب شده و تشکیل کاربید فلز می‌دهد.        

باریکه الکترونی مورد استفاده در روش لایه‌نشانی تبخیری با استفاده از باریکه الکترونی، توسط فیلامان‌های مناسب تولید شده و براساس پدیده "نشر گرمایونی" یا "ترمویونیک" گسیل می‌شوند. تنگستن متداول‌ترین فیلامان مورد استفاده در این روش است. دلیل اصلی انتخاب تنگستن، دمای ذوب بسیار بالای آن (3422 درجه سانتی‌گراد) است. بنارباین، می‌توان با افزایش دمای فیلامان تنگستنی انرژی لازم برای حرکت باریکه الکترونی را تأمین کرد. علاوه بر این روش که متداول‌ترین روش تولید و هدایت باریکه الکترونی است، از روش‌های دیگری شامل نشر میدانی الکترون (یا نشر الکترون‌ها تحت میدان الکترواستاتیک، Field Electron Emission) و قوس آندی (Anodic arc) نیز برای این منظور استفاده می‌شود. جهت کسب اطلاعات بیشتر در مورد روش‌های تولید و هدایت باریکه الکترونی به پیوست 2 در انتهای متن مراجعه کنید. باریکه الکترونی پس از تولید با استفاده از روش‌های فوق، توسط لنزهای استوانه‌ای متمرکز‌شده و شتاب می‌گیرد. علاوه بر لنزهای استوانه‌ای، امکان پرتاب و هدایت باریکه الکترونی به سمت ماده منبع با استفاده از تفنگ الکترونی (مجموعه‌ای از لنزهای مغناطیسی) وجود دارد. خم‌کردن باریکه الکترونی نیز با استفاده از میدان مغناطیسی انجام می‌گیرد. تصویری از دستگاه تبخیر‌کننده باریکه الکترونی در شکل 5 نشان داده شده است.

 

شکل 5- تصویری از دستگاه تبخیر‌کننده با استفاده از باریکه الکترونی.

 

4- فرآیند جوانه‌زنی و رشد لایه
پوشش حاصل از روش لایه‌نشانی تبخیری با استفاده از باریکه الکترونی، طی فرآیند جوانه‌زنی و رشد روی زیرلایه نشانده می‌شود. اتم‌ها یا مولکول‌های گازی که از ماده منبع جدا شده و با دما و انرژی گرمایی بالا به زیرلایه رسیده‌اند، انرژی گرمایی خود را به زیرلایه منتقل کرده و روی زیرلایه حرکت می‌کنند. البته، مقدار حرکت آن‌ها روی زیرلایه بستگی به انرژی گرمایی آن‌ها دارد، به‌طوری که هرچه انرژی گرمایی آن‌ها بیشتر باشد، حرکت بیشتری روی زیرلایه خواهند داشت تا در نهایت انرژی گرمایی آن‌ها به طور کامل از بین برود. این اتم‌ها با انتقال تمام انرژی گرمایی خود، رفته رفته به زیرلایه چسبیده و مجموعه‌ای از هسته‌های اتمی به صورت تجمی از اتم‌ها روی زیرلایه تشکیل می‌دهند. با ادامه این فرآیند و افزایش تعداد هسته‌ها روی زیرلایه، این هسته‌ها به یکدیگر چسبیده و رشد می‌کنند و به صورت فیلم نازکی سطح زیرلایه را می‌پوشانند. خواص نهایی این پوشش‌ها مانند چسبندگی، بازتاب نور، مقاومت الکتریکی، خواص مغناطیسی، چگالی و استحکام مکانیکی به عوامل مختلفی از قبیل انرژی جنبشی اتم‌های فرودی، دمای زیرلایه، نرخ لایه‌نشانی و نحوه و کیفیت انتقال بخار ماده از منبع به زیرلایه دارد.

 

5- مزایا، معایب و کاربردها
روش لایه‌نشانی تبخیری با استفاده از باریکه الکترونی مانند سایر روش‌های پوشش‌دهی دارای مزایا و معایبی است. از جمله مهم‌ترین مزایای این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

v قابلیت تنظیم نرخ پوشش‌دهی لایه‌ها از از یک نانومتر تا چند میکرومتر در دقیقه.

v سرعت بالای فرآیند پوشش‌دهی.

v وجود آسیب‌های سطحی اندک در پوشش حاصل.

v خلوص بالای پوشش تولیدی به دلیل لایه‌نشانی در خلأ.

v قابلیت بالاتر در کنترل ریزساختار و مورفولوژی پوشش‌ها در مقایسه با سایر روش‌ها.

v جلوگیری از گرمایش ناخواسته زیرلایه.

از معایب این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

· عدم قابلیت پوشش‌دهی قطعاتی با هندسه پیچیده به دلیل انجام فرآیند در فشارهای بسیار پایین.

· غیریکنواختی پوشش‌های تولیدی در صورت استفاده طولانی مدت از یک فیلامان. با توجه به این‌که فیلامان‌ها عمر مشخصی دارند، به مرور زمان کارآیی خود را از دست داده و باعث غیر‌یکنواختی در نرخ تبخیر می‌شود. بنابراین، بایستی فیلامان پس از هر بار پوشش‌دهی کنترل شده و در صورت نیاز تعویض شود.  

علی‌رغم مزایا و معایب گفته‌شده، از روش لایه‌نشانی با تبخیر باریکه الکترونی در خلأ در گستره وسیعی از صنایع استفاده می‌شود. از کاربردهای مهم این روش می‌توان به تولید پوشش‌های نوری، الکترونیکی، حرارتی و مکانیکی مورد استفاده در صنایع هوا‌فضا اشاره کرد.

فیلم زیر شرح مختصری از نحوه کار دستگاه لایه‌نشانی با استفاده از باریکه الکترونی ارائه می‌کند.

 

 

6- نتیجه‌گیری
فرآیند لایه‌نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی یکی از زیرشاخه‌های روش لایه‌نشانی فیزیکی از فاز بخار به‌شمار می‌رود. این روش یکی از روش‌های نوین پوشش‌دهی است که در سال‌های اخیر رشد چشم‌گیری داشته است. در این مقاله، سنتز فیلم‌های نازک با استفاده از روش لایه‌نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی مورد بحث قرار گرفته است. در این روش، انرژی مورد نیاز برای تبخیر ماده منبع از انتقال انرژی الکترون‌ها به ماده منبع تأمین می‌شود. استفاده از خلأ باعث غلبه بر دو چالش اصلی در این فرآیند یعنی امکان اکسید‌شدن بخار فلز و کاهش نرخ رسوب‌گذاری می‌شود. برای تشکیل پوشش‌هایی با ضخامت یکنواخت، زیرلایه‌ها روی چرخاننده‌هایی قرار داده شده و در حین فرآیند می‌چرخند. همچنین، برای جلوگیری از پخش بخار ماده در مسیر انتقال از منبع تا زیرلایه، محافظ‌هایی در داخل محفظه قرار داده می‌شود. باریکه الکترونی تولیدی به تمامی به سمت ماده منبع حرکت نکرده و قسمتی از الکترون‌ها با خروج از محور اصلی و برخورد با محفظه واکنش باعث گرم شدن آن می‌شوند. بنابراین، برای افزایش کارآیی فرآیند و جلوگیری از آسیب‌دیدن محفظه به دلیل افزایش دما، ایجاد روزنه‌هایی برای متمرکز‌کردن باریکه الکترونی ضروری است. سه نوع پیکربندی‌ مختلف برای باریکه الکترونی معرفی شده است. دلیل حرکت بخار آزاد‌شده از ماده به سمت زیرلایه، وجود اختلاف فشار است. هنگامی‌که بخار ماده به مجاورت زیرلایه می‌رسد، چگالش یافته و با انتقال گرمای خود به زیرلایه از فاز بخار به فاز جامد تبدیل می‌شود. در صورت عدم رعایت شرایط بهینه طراحی مانند فاصله ماده منبع از زیرلایه، امکان ذوب زیرلایه توسط بخار حاصل از ماده منبع وجود دارد. از طرف دیگر، انتخاب نوع بوته‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. بوته‌های مورد استفاده در این روش سرامیکی یا فلزی هستند. می‌توان از این روش برای لایه‌نشانی اکسیدهای فلزی (مواد سرامیکی) و فلزات مختلف با نقطه ذوب بالا استفاده کرد. روش تبخیر واکنشی رویکرد مناسبی برای لایه‌نشانی کاربیدها و اکسیدهایی که طی این فرآیند تجزیه می‌شوند، به شمار می‌رود. در نهایت، فرآیند جوانه‌زنی و رشد حین لایه‌نشانی با باریکه الکترونی مطرح شد و مزایا، معایب و کاربردهای این روش بیان شد.

 

پیوست‌ها

پیوست 1

بایاس‌کردن در الکترونیک عبارت است از اعمال ولتاژ یا جریان از‌پیش‌تعیین‌شده به نقاط مختلف مدار یا یک قطعه مداری مانند ترانزیستور با هدف بهبود کارکرد آن. بسیاری از مدارهای الکترونیکی که بر روی یک سیگنال عمل می‌کنند (مثلاً مدار تقویت سیگنال صوتی)، برای رسیدن به عملکرد مناسب نیازمند یک ولتاژ مستقیم (ثابت) هستند. به طور کلی، در علم الکترونیک، قرار‌دادن یک عنصر مداری مانند ترانزیستور و غیره در ناحیه کاری آن بایاس‌کردن نامیده می‌شود. برای مثال، در استفاده از یک ترانزیستور به عنوان تقویت‌کننده خطی، لازم است ولتاژها و جریان‌های پایه‌های آن طوری تنظیم شوند که با اعمال سیگنال ورودی، ترانزیستور تا جای ممکن در ناحیه خطی خود کار کرده و در آن باقی بماند.

 

پیوست 2

به جریان‌یافتن حامل‌های بار الکتریکی از یک سطح یا از روی یک سد انرژی پتانسیل، تحت اثر گرما، نشر گرمایونی گفته می‌شود. دلیل وقوع این پدیده، بیشتر شدن انرژی وارده به حامل‌ها نسبت به پتانسیل اتصال‌دهنده‌ آن‌ها (تابع کار) است. حامل‌های بار، الکترون‌ها یا یون‌ها هستند. امروزه، عبارت «نشر گرمایونی» به هر نوع فرآیند نشر بار الکتریکی در اثر اعمال حرارت اطلاق می‌شود، حتی اگر بار از یک منطقه "حالت جامد" به یک منطقه "حالت جامد" دیگر منتقل شود. این فرآیند اهمیت بسیار زیادی در نحوه کار ادوات الکترونیکی مختلف دارد و می‌توان از آن برای تولید انرژی الکتریکی بهره گرفت.  

نشر الکترون‌ها از سطح یک فلز در حضور میدان الکتریکی خارجی «نشر میدانی الکترون» نامیده می‌شود.  

قوس آندی نوع جدیدی از قوس خلأ است که در جریان‌های پایین تولید می‌شود. در این روش، تخلیه قوس در خلأ انجام گرفته و با تبخیر ماده موجود در آند که وظیفه تخلیه پیوسته را دارد، باعث ایجاد پلاسمای بخار فلز خالص می‌شود.

 

منابـــع و مراجــــع

Taherniya, Atefeh, and Davood Raoufi. "The annealing temperature dependence of anatase TiO2 thin films prepared by the electron-beam evaporation method." Semiconductor Science and Technology 31, no. 12 (2016): 125012.

Qiu, Weiming, Ulrich W. Paetzold, Robert Gehlhaar, Vladimir Smirnov, Hans-Gerd Boyen, Jeffrey G. Tait, Bert Conings et al. "An electron beam evaporated TiO2 layer for high efficiency planar perovskite solar cells on flexible polyethylene terephthalate substrates." Journal of Materials Chemistry A 3, no. 45 (2015): 22824-22829.

Richter, K., C. Lorbeer, and A-V. Mudring. "A novel approach to prepare optically active ion doped luminescent materials via electron beam evaporation into ionic liquids." Chemical Communications 51, no. 1 (2015): 114-117.

Thiagarajan, Shrividhya, Mahalingam Thaiyan, and Ravi Ganesan. "Physical property exploration of highly oriented V2O5 thin films prepared by electron beam evaporation." New Journal of Chemistry 39, no. 12 (2015): 9471-9479.

AM, Kamalan Kirubaharan, P. Kuppusami, and T. Dharini. "Thermal expansion studies of electron beam evaporated yttria films on Inconel-718 substrates." Surface and Coatings Technology 354 (2018): 297-305.

Palei, Srikanta, Bhaskar Parida, Rajkumar Sahu, Jonghun Mun, and Keunjoo Kim. "Double GaAs/Si Heterojunction Layers in Si Solar Cells Fabricated by Electron Beam Evaporation." Journal of nanoscience and nanotechnology 19, no. 3 (2019): 1368-1375.