بخشی از مقاله
مقدمه
ذرات پر انرژي بمباران شده در طول تشکیل لایه میتوانند خواص ساختاري ، فیزیکی و شیمیایی آن را تحت تاثیر قرار دهد.
این تاثیرات همانطور که به جسم و دماي زیر لایه وابسته است، به طور مستقیم به پارامترهاي الکترون از جمله انرژي و شار الکترونی نیز بستگی دارد. زمانی که یک باریکه الکترون به سطحی می-
خورد، منجر به نقصهایی میشود که بستگی به انرژي و شار
باریکه الکترونی فرودي دارد]١.[ مطالعات و آزمایشات اشعه الکترونی به دو دسته تقسیم میشوند. دسته اول به تشعشع با انرژي کم میپردازد که در آن انرژي الکترونهاي فرودي کمتر از
300 keV است و گروه دوم تشعشع با انرژي بالا را مورد بررسی قرار میدهد که انرژي الکترونهاي فرودي در آن4-5 MeV می-
باشد.[2]
121
این بررسیها ما را بر آن داشت که به مطالعه اثر بمباران الکترونی بر نانو ذرات نقره بپردازیم که به روش کندوپاش یونی بر روي تمپلتهاي آلومینایی لایه نشانی شدهاند .
در این مقاله سطوحی که مورد بمباران الکترونی قرار گرفتهاند ،با آنالیزهاي میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) براي رویت
لایه نشانی نانوذرات نقره بر روي سطح تمپلت آلومینایی و بززسی اندازه
دانه ها وپراش اشعه (XRD) x به منظور بررسی پیکهاي تشکیل شده
، مطالعه شدهاند تا به اطلاعات مفیدي از تغییرات سطح در طول مدت بمباران برسیم.
شرح آزمایش
نانو ذرات نقره از یک هدف نقره با درجه خلـوص% 99/9
و به روش کندوپاش یونی بر روي تمپلتهـاي آلومینـایی کـه بـه عنوان زیر لایه به کار رفته ، لایه نشانی شدهاند. از گـاز آرگـون در این آزمایش استفاده شـده اسـت. تمـامی نمونـههـا شـرایط اولیـه یکسانی داشتند. اندازه حفرهها در تمامی تمپلتها 10nm و ابعـاد هدف نقره 2 mm3 100 100بود. قبل از لایه نشانی، نمونهها در دستگاه اولتراسونیک به مدت 5min در الکل و استون تمیز شـدند.
پس از آن بلافاصله در محفظـه خـلاء وارد شـده و بـر روي یـک گرمکن قرار گرفتند. نمونهها در محفظه خلاء قرار گرفتند که مجهز به یک تفنگ الکترونی بود. چنبره لایه نشـانی تـا فشـار پایـه 10-5Torr 2/1 خلاء شده است. در این آزمایش عمل کنـدوپاش و بمباران الکترونی نمونهها که در دماي محیط قرار دارند همزمـان صورت گرفت. کندوپاش با ورود گاز آرگـون خـالص % 99/9 بـه چشمه یونی کافمن که بر روي چنبره قرار دارد، آغاز شـد. انـرژي الکترونها از 3 keV تا 8 keV در طول مـدت لایـهنشـانی نقـره تغییر کرد. زاویه بین باریکه الکترونی و نمونه45 5 تنظیم شد. فشار دستگاه در حـین عملیـات سـطحی حـدود10-5 Torr 5/5 بـوده است. شرایط کلی نمونهها در جدول 1 خلاصه شـدهانـد. سـاختار کریستالی و جهتهاي ترجیحی به ترتیـب بـا آنالیزهـاي SEM و XRD بررسی شدند.
جدول :1 مشخصات کلی نمونهها و نشانه گذاري آنها
دما((K زمان انرژي نمونهها
عملیات((min الکترون((keV
----- ----- ----- (تمپلت آلومینا)N1
300 3 بدون بمیاران ( نقره لایهنشانی شده N2(
590 3 3 N3
620 3 8 N4
بحث و نتیجه
شکل 1 تصاویر SEM تمامی نمونهها را نشان میدهد. شکل
گیري دانههاي نانویی نقره بعد از عملیات به وضوح مشخص
است .
(الف) ( ب)
(ج) (د)
شکل :1 تصاویر SEM مربوط به (الف) تمپلت خام آلومینایی((N1، (ب) نقره لایه نشانی شده بر روي تمپلت((N2،(ج) سطح بمباران شده با انرژي3keV (N3) و (د) سطح بمباران شده با انرژي . (N4)8keV
میزان افزایش دماي نمونه هاي N3و N4 نسبت به N2 که به دلیل بمباران الکترونی ایجاد میشود از روابط زیر قابل پیش بینی است :
(1)
و
(2)
122
که در آن T میزان افزایش دماي سطح ، Q0چگالی توان باریکه، a شعاع باریکه، D ضخامت لایه، kهدایت گرمایی لایه، α پخش شدگی گرمایی و t مدت بمباران الکترونی است.
جدول 2 تعداد حفرهها در 1 cm2 1از سطح براي نمونـهN1
و تعداد نانوذرات نقره لایه نشـانی شـده در سـطح تمپلـت را در 1cm2 1 از سطح براي نمونههاي N4,N3,N2 نشان میدهد.
جدول :2 چگالی حفرههـا در 1 cm2 1 از سـطح بـراي نمونـهN1 و چگـالی نانوذرات در 1 cm2 1 از سطح براي نمونههاي .N4,N3,N2
چگالی
نمونه
١٠١٨ × ۴ N1
١٠١٨ × ٢٢ N2
١٠١٨ × ١٨ N3
١٠١٨× ۶١ N4
همانطور که در جدول 1 ذکر شد ، دما و انرژي در مدت بمباران الکترونی با جریان ثابت براي هر نمونه مشخص است.بنابر جدول 2 مشاهده میشود که با افزایش انرژي بمباران الکترونی و دما، چگالی ذرات کاهش مییابد. دلیل این پدیده افزایش میزان تبخیر ذرات نقره با افزایش دماست. از طرفی دیگر دما موجب جذب ذرات ریز به ذرات درشتر شده که این تغییرات منجر به افزایش اندازه دانهها نیز میشود. اندازه متوسط دانهها با استفاده از نرم افزار ImageJ (1.38) محاسبه گردیده که در جدول 3 آورده شدهاند.
جدول :3 اندازه متوسط دانه براي هر یک از نمونهها با استفاده از نرمافزار
ImageJ 1.38
اندازه دانه (nm) نمونه
١٨ N2
٢٢ N3
۴٢ N4
وابستگی خواص ساختاري نانوذرات نقره که بر روي تمپلت آلومینایی لایه نشانی شدهاند به شرایط لایه نشانی، توسط پراش اشعه X بررسی میشود. شکل 2 نتایج به دست آمده از XRD را براي هر یک از نمونهها نشان داده و به مقایسه آنها میپردازد.
آنچه از مقایسه شکل )2الف) با سایر شکلها به دست میآید این است که پیک دوم در شکلهاي )2ب) و )2ج) و )2د) مربوط به
تمپلت میباشد. سایر پیکها در نمونههاي N4,N3,N2 مربوط به ساختار مکعبی نقره با صفحات ترجیحی<111> و <220> است.
آنچه مشاهده میشود این است که فاز نقره در تمامی نمونههایی که داراي انرژي بمباران متفاوت 3 keV و 8keV هستند، مشاهده میشود. آنچه از آنالیز XRD قابل مشاهده است این نکته است که بمباران الکترونی با تغییر انرژي باعث تغییر جهت ترجیحی می-
شود. در لایه نشانی بدون بمباران الکترونی صفحه اصلی ترجیحی، صفحه <220> است و با شروع بمباران به صفحه <111> جابجا میشود. با توجه به اینکه جهت ترجیحی وابسته به انرژي سطحی و نیز تنش بین ذرات نقره و زیرلایه میباشد لذا میتوان متصور شد که تغییرات انرژي بر روي انرژي سطحی و نیز تنش تاثیرگذار است.[4] علاوه بر تغیر جهت ترجیحی مشاهده میشود که با تغییر انرژي از3 keV تا 8 keV پیکهاي نقره با شدت کمتري ظاهر میشوند که با توجه به نتایج SEM دلیل آن این است که با افزایش انرژي، از میزان ذرات نقره کاسته میشود.
شکل :2 تصاویر XRD مربوط به (الف) تمپلت خام آلومینایی، (ب) نقره
لایه نشانی شده بر روي تمپلت،(ج) سطح بمباران شده با انرژي 3keVو (د)
سطح بمباران شده با انرژي .8keV
123
