بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، بهبود آستانه تخریب لیزري براي لایه هاي نازك TiO2 با استفاده ازفرآیند بازپخت حرارتی در کوره بازپخت، مورد مطالعه قرار گرفته است. لایه نشانی نمونه ها به روش تبخیر باریکه الکترونی انجام گرفت. سپس نمونه هادر دماهاي 300، 400 و 600درجه سانتی گراد به مدت 2 ساعت در شرایط خلأ بازپخت شده و تست آستانه تخریب روي نمونه انجام گرفت . همچنین طیف اپتیکی نمونه ها با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر و زبري سطح با استفاده از درستگاه SPM، بدست آمد. مشخص گردید که آستانه تخریب لیزري نمونه ها پس از بازپخت افزایش محسوسی یافته است که علت اصلی آن ناشی از چگال تر شدن لایه بعد از فرایند بازپخت می باشد. همچنین دامنه شدت طیف عبوري نیز به دلیل تغییر ضریب شکست به مقدار بسیار کمی بالاتر رفته است.
مقدمه
در دهه هاي اخیر تحقیقات گسترده اي براي خواص اپتیکی ، خواص الکترونیکی، ظرفیت نواري پهن و پایداري شیمیایی دي اکسید تیتانیم (TiO2) صورت گرفته است. فیلم هاي بلوري شده
TiO2 کاربرد هاي گوناگونی در صنایع اپتیک[1]، سلول هاي خورشیدي[2]، کاربردهاي دي الکتریک[3]، خود پاك کننده ها[4]، لایه هاي فوتوکاتالیتیک[5]، لایه نشانی هاي محافظ و در وسائل میکروالکترونیک[6] دارند و هر روز نقش پررنگ تري را در صنایع مختلف ایفا کرده و تحقیقات بیشتري پیرامون این دي الکتریک با ارزش صورت می گیرد. TiO2 می تواند به صورت لایه آمورف و همچنین سه فاز کریستالی وجود داشته باشد: آناتاز
(چهار وجهی)، بروکیت (راست گوشه) و روتایل (چهار وجهی).
تنها فاز روتایل در دماهاي بالا، پایدار است. ضرایب شکست آناتاز و روتایل در طول موج 500 nm به ترتیب 2/5 و 2/7 است.
ساختار آناتاز در دماهاي حدود350 C بدست می آید و دماهاي بین 400 و 800 C فاز روتایل هم وجود دارد و در دماهاي بالاتر تنها ساختار روتایل حضور دارد. روش هاي مختلفی براي انباشت TiO2 وجود دارد، تبخیر توسط باریکه الکترونی [7]،
انباشت به کمک باریکه یونی[8]، کندوپاش مگنترون واکنشی DC [9]، کندوپاش مگنترون واکنشی11] RFو[10، از آن جمله اند.
خواص فیلم هاي دي اکسید تیتانیم تنها به روش هاي تهیه آن ها وابسته نیست، بلکه به شرایط انباشت نیز وابسته است.
تئوري فرآیند
در این تحقیق فرآیند بهبود آستانه تخریب لیزري براي لایه هاي TiO2 با استفاده ازفرآیند بازپخت حرارتی مورد مطالعه قرار گرفته است. لایه نشانی نمونه ها به روش تبخیر باریکه الکترونی انجام گرفت. نمونه هادر دماهاي 300، 400 و 600 درجه سانتی گراد به مدت 2 ساعت در شرایط خلأ بازپخت شده و تست آستانه تخریب روي نمونه انجام گرفت.
یکی از روش هاي بررسی آستانه تخریب، مقایسه توان هاي متوسطی است که در آن عمل تخریب براي هرکدام از نمونه ها رخ
داده است، این روش هنگامی به کار برده می شود که عرض پالس، ولتاژ و دیگر ویژگی ها در تمام موارد یکسان باشد. در اینجا کافی است شدت لیزر ورودي را در هر مورد اندازه گیري و مقایسه نمود، شدت بالاتر معادل آستانه تخریب بالاتر است، همچنین براي بررسی تغییرات احتمالی اثر بازپخت روي طیف اپتیکی و زبري سطح لایه ها، نمونه ها با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر و میکروسکوپ پروبی روبشی مورد ارزیابی قرار گرفتند.
روش انجام آزمایش
زیر لایه ها از جنس شیشه BK7 بوده و براي تمیز کاري، در ابتدا زیرلایه ها به مدت 15 دقیقه در محلول اسید کلریدریک 0/02
مولار در دستگاه فراصوتی جرم گیري نموده و سپس به مدت 15
دقیقه، در محلول استون در دستگاه فراصوتی قرار داده وسپس با آب مقطر شستشو شدند. در پایان زیرلایه ها توسط گاز نیتروژن خالص خشک شدند.
پس از تمیز کاري زیر لایه ها، داخل محفظه لایه نشانی شده و لا یه نشانی با استفاده از دستگاه لایه نشانی سیلا90 طبق شرایط جدول شماره یک انجام گردید. در این لایه نشانی از چشمه TiO2
با خلوص % 99/99 استفاده گردید. براي دستیابی به استوکیومتري مناسب در حین لایه نشانی گاز اکسیژن با فشار 15 Sccm وارد محفظه لایه نشانی گردید. پس از انجام لایه نشانی، نمونه ها به مدت دو ساعت در کوره خلأ در دماهاي 300، 400 و 600 درجه سانتی گراد بازپخت گردیدند. آهنگ افزایش دما براي تمامی نمونه ها ثابت و برابر30 °C.min-1 بود.
در ادامه آستانه تخریب نمونه ها بـا اسـتفاده از لیـزر 1064
نانومتر اندازه گیري گردید. همچنین بـراي بررسـی طیـف عبـوري نمونه ها نیـز بـا اسـتفاده از دسـتگاه اسـپکتروفتومتر واریـان مـدل Carry6000i، بدست آمد. در پایان نیز، با استفاده ازدستگاه آنالیز
SPM سـاخت شـرکت DME مورفولـوژي سـطح لایـه، جهـت بررسی تاثیر دماي بازپخت روي زبري سطح لایـه، مـورد بررسـی قرار گرفت
جدول: 1 شرایط لایه نشانی لایه TiO2
* پارامتر مقدار
1 فشار اولیه(تور) 4×10-4
2 فشار کاري(تور) 9×10-6
3 ولتاژ(کیلو ولت) 8/5
4 جریان(میلی آمپر) 120
5 فلوي گاز (sccm) 115
6 دماي زیرلایه((°C 200
7 ضخامت((nm 400
8 آهنگ رشد (A°.s-1) 0/3
جدول: 2 آستانه تخریب لیزري براي نمونه هاي بازپختی
نمونه دماي بازپخت (0c) توان آستانه تخریب (j)
ها
نمونه1 300 5.5
نمونه2 400 6.2
نمونه3 600 7
.
شکل: 1 طیف عبوري نمونه هاي بازپختی TiO2
شکل: 2 مورفولوژي سطح لایه TiO2
213
نتیجهگیري
در جدول شماره دو آستانه تخریب لیزري براي نمونه هاي بازپختی نشان داده شده است. مشاهده می شود که با افزایش دما آستانه تخریب لیزري نیز افزایش یافته است. علت اصلی آن چگال تر شدن لایه بعد از فرایند بازپخت می باشد. به عبارتی دیگر لایه از حالت تخلخل به حالت چگال تبدیل می شود. توضیح آنکه بر خلاف روش کندوپاش، ماهیت لایه هاي تشکیل شده به روش تبخیري، تخلخل می باشد.
شکل یـک نیـز شـدت طیـف عبـوري را در بـازه 1400-400
