بخشی از مقاله
مقدمه
تیتـانیوم، فلـزي اسـت کـه بـه سـبب مقاومـت زیـاد در برابـر فرسودگی معروف است. این عنصر، سبک، محکـم، قابـل سـاخت آسان با جرم حجمی پایین 40% (همچگال با فولاد) کـه بـه شـکل خالص کاملاً چکش خوار، آسان براي کار، براق و به رنگ نقـره اي درخشان میباشد. نقطه ذوب نسبتاً زیاد این عنصر، آنرا به یک فلـز دیر گداز مفید تبدیل کـرده اسـت. تقریبـاً 95% تیتـانیوم بـه شـکل دياکسید تیتانیوم (TiO2) مصرف میشود که در رنگهـا، کاغـذ و پلاستیکها کاربرد وسیعی دارد. رنگهایی کـه بـا دياکسـید تیتـانیوم ساخته میشوند، منعکسکنندههاي بسیار خوب پرتو مـادون قرمـز هستند و بنابراین منجمان ، بطور گسترده اي از آن استفاده میکنند
.دي اکسید تیتانیوم نیمه هادي با نوار گاف بزرگ 3/1 eV به همـراه
خواص جالب توجهی می باشد. TiO2 در برابر نـور مرئـی شـفاف بوده و ضریب شکست بـالا و جـذب کمـی دارد، در نتیجـه از آن بعنوان یک پوشش اپتیکی استفاده می شود .[1] یک راه ممکن براي بهبــود بخشــیدن بــه انتقــال الکتــرون اســتفاده از نانوســیمهــا یــا نانوتیوب هاي تک کریستالی به جاي لایه هاي متخلخـل مـی باشـد
.[2] محققان نشان داده اند که بیشینه ي تحرك پـذیري الکتـرون در
TiO2 متخلخــل 2 مرتبــه کمتـر از TiO2 روتایــل تــککریســتالی می باشد .[3] در این مقاله به چگـونگی سـاخت و بررسـی جـذب اپتیکی و ضریب جذب نمونه هاي لایه نازك تیتانیوم که بـه روش لایه نشانی پرتو الکترونی ساخته شده اند می پردازیم. در ادامه قصـد داریم به روش تبخیر حرارتی در کوره، نانوسـاختارهاي دي اکسـید تیتانیوم بدست آوریم به همین منظور و همچنـین گـرفتن تصـاویر SEM، لایهاي از طلا بر نمونهها نشانده شده است.
46
روش آزمایش
در این پژوهش از شیشه و کوارتز بعنوان زیرلایه استفاده شـده است. ابتدا زیرلایه ها به ترتیب با ماده ي شوینده، اسـتون، اتـانول و آب مقطر هر کدام بمدت 5 دقیقه شسـته شـدند. سـپس لایـهاي از تیتانیوم به روش پرتـو الکترونـی در خـلاء 3/5 10 -5 mbar بـر زیرلایه ها نشانده شده است. در این فرآیند آهنـگ لایـهنشـانی 0/2
آنگستروم بر ثانیه و ولتاژ و جریـان بـه ترتیـب 4 kV و 100 mA
بودند. نحوه ي کار دستگاه پرتو الکترونی به این صورت مـی باشـد:
پس از اینکـه دسـتگاه در ولتـاژ و جریـان مناسـب قـرار داده شـد الکترونها بصورت باریکهاي خارج میگردنـد، ایـن الکتـرونهـا در ابتدا تحت یک میـدان الکتریکـی شـتاب مـی گیرنـد و سـپس از 4
آهنرباي نعلی شکل عبور می کنند که سبب منحرف شـدن آنهـا در جهت مورد نظر خواهد شد، جهت مناسب، راستایی می باشد که در امتداد آن الکترون ها بر بوته ي از جنس کربن متمرکز شوند، مـادهي مورد نظر براي لایه نشانی در این بوته بصورت پـودري قـرار داده شده است. در ابتدا بایستی جریان را به آهستگی بالا برد تـا سـبب پخش شدن پودرها نگردد. بعد از برخورد الکترون ها بـا پودرهـاي تیتانیوم، آن ها گرم شده تا به دماي تصعیدشـان برسـند و در نتیجـه سبب منتشر شدن آن ها در محیط خلاء شود و سـرانجام بـه سـطح زیرلایـه برسـند. دسـتگاه اسـتفاده شـده بـراي لایـه نشـانی داراي مشخصات زیر میباشد:
12'' Vacuum Coating Unit Model 12A4D HIND HIGH VACUUM CO. India
در شکل 1 شماتیکی از آن دیده میشود.
بعد از خارج نمودن نمونهها، لایهاي از طلا بـه ضـخامت 2و 3
نانومتر بر لایه تیتانیوم به روش کندوپاش، پوشش داده شد. در این مرحله جذب اپتیکی نمونه ها به وسیله اسپکتروفوتومتر اندازه گیري و ضــریب جــذب نیــز محاســبه شــد. مشخصــات دســتگاه اسپکتروفوتومتر استفاده شده به شرح زیر میباشد:
HR4000 CG-UV-NIR high resolution Spectrophotometer Ocean Optics
شکل 2 نمایی از اسپکتروفوتومتر را نشان میدهد.
شکل-1 شمایی از دستگاه پرتو الکترونی
شکل-2 نمایی از اسپکتروفوتومتر
در جدول 1 مشخصات نمونـه هـا دیـده مـی شـود، در همگـی
نمونهها ضخامت لایهي Ti، 21/4 نانومتر میباشد.
جدول :1 مشخصات نمونهها
شماره نمونه جنس زیرلایه ضخامت طلا (nm)
1 شیشه 2
2 شیشه 3
3 کوارتز 2
4 کوارتز 3
نتایج و بحث
اسپکتروفوتومتر اشاره شده، به کمک معادله (1) جذب اپتیکـی نمونه را محاسبه می کند که در آن Aλ جذب اپتیکی نمونه در طول موج λ، Sλ شدت نمونه در طـول مـوج λ، Dλ شـدت تـاریکی در طول موج λ، Rλ شدت مرجع در طول موج λ میباشد.
47
(1) Aλ = -log 10 [(Sλ-Dλ)/(Rλ-Dλ)]
ضریب جذب نمونه ها بوسیله ي معادله محاسبه می شـوند، کـه
در آن α ضــریب جــذب در طــول مــوج λ و d ضــخامت نمونــه
میباشد.
(2) α = (-1/d) ln(A λ)
شکل هاي 3 الی 6 جذب اپتیکی و ضریب جـذب نمونـه هـاي
تیتانیوم و طلا بر زیرلایه شیشه و کوارتز را نشان می دهند، با توجه
به نمودارها دیده می شود که جذب اپتیکـی و بـه طبـع آن ضـریب ش
جذب با افزایش ضخامت طلا، افزایش یافته است.
کل-5 ضریب جذب نمونهبر زیرلایه شیشه
شکل-3 جذب اپتیکی نمونهبر زیرلایه شیشه
شکل-6 ضریب جذب نمونهبر زیرلایه کوارتز
ضریب جذب نمونه هاي 3 و 4 در بازهي 300-700 nm ماننـد ضریب جذب کوارتز سیر نزولی و کاهشـی دارد [ 4]، در حالیکـه در طول موج بیش از 700 nm سیر افزایشی پیدا کرده کـه احتمـالاً بدلیل غالب بودن سهم طلا و تیتانیوم بر کوارتز می باشد. نمونه هاي
1 و 2 در بــازه 300-900 nm داراي جــذب اپتیکــی یکنــواختی می باشد که با مقاله مرجع 5 مطابقت دارد. تصاویر بدسـت آمـده از
SEM نمونهها در جدول 2 آورده شده است.
شکل-4 جذب اپتیکی نمونهبر زیرلایه کوارتز
تصاویر (Philips, XL30) SEM نشان میدهند کـه تیتـانیوم بصورت پوسته ي ورقه شده بر زیرلایه ها نشسته اند که احتمالاً بدلیل تنش سطحی و شستشوي زیرلایه ها با آب مقطـر مـی باشـد. علـت تفاوت در شکل و اندازه ي ورقه هاي نمونه هاي 1 و 2، بانمونـه 4،
48
تفاوت در نـوع زیرلایـه مـی باشـد. نمونـه ي 4 در مقایسـه بـا دو نمونهي دیگر، داراي ورقههاي بزرگتري است.
جدول-2 تصاویر SEM نمونهها
