بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش ،ابتدا لایه هاي نازك نیکل به روش RF اسپاترینگ بر سطح زیر لایه لام آزمایشگاهی تشکیل گردید و سپس لایه هاي اسپاتر شده، در دماهاي مختلف در محیط اکسیژن ودر فشار اتمسفر پخت شدند. براساس تحلیل تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی(( SEM ساختارلایه هاي اکسیدNiO به صورت نانومیله هایی به قطر 30 تا 40 نانومترتعیین شد.با بررسی خواص اپتیکی ، گاف انرژي لایه هاي نازك NiO بین3/7-3/8 eV بدست آمد ؛همچنین سطح نمونه پخت نشده ،
با زاویه تماس 110ºاز حالت آب گریزي پس از پخت در دماي300 º C به حالت آب دوستی با زاویه تماس 33º تبدیل یافت.
.
مقدمه
استفاده از ساختارهاي اکسید نیکل به دلیل خواص ویـژه آن در سال هاي اخیرمورد توجه بسیاري ازمحققین قرار گرفتـه اسـت.
از طرف دیگر، با توجه به رشد سریع وپایداري شـیمیایی،این لایـه درکاربردهاي مختلف مورد استفاده قرار گرفته اسـت؛برخی از ایـن
کاربردها عبارتند از: تبـدیل نـور بـه جریـان[1] ، لایـه هـاي فـرو مغناطیســـی[2]، سنســـورهاي گـــازي ]٣[، خـــازن هـــاي الکتروشــیمیایی[4]، الکتــرود مثبــت بــاطري [5]،لایــه هــاي
الکتروکرومیک[6]، سنسورهاي مغناطیسی.[7]
اکسید نیکل یک نیمه رساناي نوع p با ساختار نمک طعام گونه و نیمه شفاف به رنگ سبز روشن است که گاف انرژي آن در
83
محدوده 3/4-4 eV گزارش شده است[8]، لایه نازك اکسید نیکل را می توان به روش هاي مختلف فیزیکی وشیمیایی تهیه نمود.از روشهاي فیزیکی می توان به موارد اسپاترینگ[9]، تبخیر حرارتی در خلا[10]، پرتو الکترونی[11] واز روشهاي شیمیایی می توان به اکسیداسیون حرارتی[12]، تبخیر شیمیایی[13] و سل ژل[14]
اشاره کرد. در میان همه این روش ها، روش اسپاترینگ به دلایل نرخ لایه نشانی بالا(کاهش زمان لایه نشانی)،یکنواختی در لایه ایجاد شده درسطح زیرلایه وکنترل دقیق ترکیب شیمیایی لایه، مورد توجه محققین قرارگرفته است. درروش اسپاترینگ، خواص لایه تشکیل شده به پارامترهایی مثل دماي زیرلایه، فشار جزئی اکسیژن، توان تخلیه اسپاترینگ، فشار محیط گازوهمچنین نوع زیرلایه، بستگی دارد.
دراین تحقیق، با استفاده از دستگاه اسپاترینگ مغناطیسی رادیوفرکانسRF،ابتدا لایه نازکی از نیکل بر روي زیرلایه لام آزمایشگاهی، لایه نشانی می شودوسپس در محیط اکسیژن پخت می گردد.دما پارامتري است که در انجام این تحقیق مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است ،به نحوي که ابتدا نمونه هاي لایه نشانی شده در شرایط یکسان تهیه گردید وسپس در دماهاي مختلف، پخت شدند.در ادامه خواص اپتیکی و آب دوستی این نمونه ها بررسی ومقایسه می گردند .
روش تجربی
ابتدا لام هاي شیشه اي که قرار است به عنوان زیرلایه براي لایه نشانی به کار رود را با آب و صابون شسته و به ترتیب به مدت ده دقیقه در بشر حاوي استون در دستگاه اولتراسونیک قرارداده و بعد از اتمام این مرحله پانزده دقیقه در بشر حاوي متانول در دستگاه اولتراسونیک قرار می دهیم.لام هاي تمییز شده را در داخل نگهدارنده زیرلایه قرار داده و در داخل دستگاه اسپاترینگ در فاصله هفت سانتی متري از سطح ماده هدف
(دیسک نیکل به قطر 2 اینچ و ضخامت 2 میلی متر وبا خلوص
(99/99% قرار می دهیم؛ توسط ترکیب سري دو پمپ روتاري و دیفیوژن، محفظه لایه نشانی تا فشار زمینه ×10-6 Torr۴ تخلیه می شود. سپس این محفظه تا فشار ×10- 2 Torr۴ از گاز آرگون با خلوص 99/99% پر می شود. با اعمال توان 180W به سطح
ماده هدف ،عمل اسپاترینگ اتم هاي نیکل در اثر برخورد یون هاي آرگون به سطح ماده هدف شروع می شود. براي جلوگیري از نشستن آلودگی هاي روي سطح ماده هدف بر روي زیرلایه ،عمل اسپاترینگ را به مدت ده دقیقه با پوششی به نام شاتر که جلوي زیرلایه را گرفته است، انجام گردید و سپس با چرخش شاتر عمل لایه نشانی به مدت 90 دقیقه انجام شد. لازم به ذکر است که بازتاب توان اعمالیRF حدود اندازه گیري گردید.پس ازاتمام لایه نشانی،نمونه هاي تهیه شده را در کوره لوله اي در محیط اکسیژن خالص در دماهاي مختلف100º Cو300º Cو 500º C به مدت 4
ساعت پخت گردید؛ شیب دمایی براي رسیدن به دماي مورد نظرحدود براي کلیه نمونه ها استفاده شد، در پایان نمونه هاي پخت شده به تدریج در دماي اتاق سرد شدند.
شکل :1 تصویر SEM از نیکل لایه نشانی شده بر سطح زیر لایه لام.الف)قبل
ازپخت ب) پس از پخت در دماي 500º C
نتایج وبحث
براساس تحلیل تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی((SEM
مشخص گردیدکه ساختار لایه هاي نازك پخت شده بصورت
84
نانومیله بوده(شکل(1و قطر آنها در حدود 30 تا 40 نانو متر اندازه گیري شد. همچنین هنگامی که لایه ها در دماي 500º C پخت می شود، نانومیله هاي تشکیل شده یکنواخت تر شده و فاصله بین میله ها به وضوح افزایش یافته است؛ به عبارت دیگر نسبت سطح به حجم نمونه ها زیاد شده است.
براي محاسبه انرژي گاف این نانو میله ها از روش اپتیکی رابطه (1) استفاده شد: [15 ]
در این رابطه A یک ثابت ، Eg انرژي گاف اپتیکی، α ضریب جذب وhν انرژي فوتون فرودي می باشد. مقدار n به نوع انتقال الکترونی که باعث جذب فوتون شده است بستگی دارد. مقدار n
براي انتقال مستقیم الکترون گزارش شده است [16].
منحنی تغییرات (αhν)2 بر حسب hν خطی است. با رسم خط مماس بر این منحنی و بدست آوردن محل تقاطع با محو hν مقدار
انرژي گاف را می توان، بدست آورد(شکل.(2
این محاسبات براي سه نمونه که در دماهاي º C١٠٠، 300ºC
و 500º C پخت شده است صورت گرفت ومقدار انرژي گاف براي این نمونه ها به ترتیب 3/87±0/01eV و 3/85±0/01eV و
3/77±0/01eV بدست آمد. نتایج حاکی از آن است که با افزایش دماي پخت، انرژي گاف کاهش یافته است.
به منظور بررسی خواص آب دوستی نمونه ها، از روش متداول اندازه گیري زاویه تماس((θ سطح نمونه با قطره آب استفاده گردید. شکل (3) منحنی تغییرات زاویه تماس اندازه گیري شده را بر حسب دماي پخت نشان می دهد. لازم به ذکر است در این منحنی نیکل بدون پخت داراي زاویه تماس 110 درجه (آب گریز) در دماي اتاق می باشد .
