بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تاثير پتانسيل بر عيوب نقطه اي تشکيل شده در لايه رويين فولاد زنگ نزن L 316 AISI
چکيده
آزمون موت - شاتکي يکي از روش هاي تعيين نوع -n و يا نـوع -p بـودن رفتـار نيمـه هـادي لايـه رويـين و بررسـي عيـوب موجود در آن است . در اين تحقيق ، تاثير پتانسيل بر عيوب نقطه اي تشکيل شده در لايه رويين فولاد زنـگ نـزن L ۳۱۶ در محلول ۰.۰۵ مولار اسيد سولفوريک بررسي شد. براي تشکيل لايه رويين در بـازه پتانـسيلي ٠.٢- تـا VSCE ٠.٨، فاصـله هـا
V ٠.١ انتخاب و نمونه ها در پتانسيل هاي تشکيل مربوطه به مدت ٦٠ دقيقه نگـه داري شـدند. نتـايج آزمـون مـوت - شـاتکي نشان داد که رفتار نيمه هادي لايه رويين تشکيل شده تا پتانسيل VSCE ۰.۶، به علت چگـالي بـيش تـر دهنـد هـاي الکترونـي (ND) نسبت به گيرنده هاي الکتروني (NA)، نوع -n مي باشد. در حالي که در پتانـسيل هـاي بـالاتر، بـه علـت افـزايش انحـلال کاتيون هاي آهن و کروم که منتج به افزايش چگالي جاهاي خالي کاتيوني مي شود و هم چنين کاهش غلظت بين نشين هاي کاتيوني ، رفتار نيمه هادي لايه رويين به نوع -p تبديل شد. هم چنين نتايج آزمـون مـوت - شـاتکي نـشان داد کـه بـا افـزايش پتانسيل تشکيل لايه رويين تا VSCE ۰.۶، مقادير چگالي دهنده هاي الکتروني به طور تواني کاهش مي يابد.
واژه هاي کليدي : آزمون موت - شاتکي ، دهنده هاي الکتروني ، گيرنده هاي الکتروني ، لايه رويين .
١- مقدمه
از زماني که رويين شدن توسط فارادي در ۱۸۳۰ ميلادي مطرح شد، حجم بالايي از پژوهش ها بر روي اين موضوع متمرکز شده است . اما هنوز جزييات در مورد ساختار و خواص لايه هاي رويين در مقياس نانومتر به طور کامل مشخص نشده است [١]. به طور کلي لايه رويين ، داراي ساختاري دو لايه است . لايه اوليه ، لايه محافظ است که به طور مستقيم بر روي سطح فلز تشکيل مي شود و براي بيش تر فلزات داراي ضخامتي در حد چند نانومتر است [۲]. لايه ديگر لايه خارجي با غلظت عيوب نقطه اي بسيار کم است که از طريق هيدروليز کاتيون هاي خارج شده از لايه داخلي تشکيل مي شود[۳]. بررسي ساختار لايه رويين به طور رسمي توسط ساتو١ در سال ۱۹۷۸ ميلادي با ارايه مدل دو لايه آغاز شد و پس از آن کلايتون ٢ از اين مدل براي تفسير مطالعات خود بر روي فولادهاي زنگ نزن استفاده نمود[٤].
به طور کلي غير استوکيومتري بودن ترکيب شيميايي لايه هاي رويين ، باعث مي شود که اين لايه ها داراي خواص نيمه هادي باشند و بسته به اين که چه عيبي در درون لايه رويين غالب باشد، اين لايه ها از خود رفتار نوع -n يا نوع -p نشان مي دهند[٥]. مشخص شده است که پايداري لايه رويين مي تواند در يک محدوده وسيعي با توجه به ترکيب شيميايي آلياژ، محيط و عوامل ديگر تغيير کند[۶]. در اين ميان يکي از فاکتورهاي اساسي ، پتانسيل تشکيل لايه است که به طور تنگاتنگي با خواص الکتروني آن مرتبط است [۷]. در اين تحقيق ، رفتار نيمه هادي لايه رويين تشکيل شده و تاثير پتانسيل بر عيوب نقطه اي تشکيل شده در لايه رويين فولاد زنگ نزن L ۳۱۶ در محلول ۰.۰۵ مولار اسيد سولفوريک بررسي شد.
٢- مواد و روش تحقيق
ترکيب شيميايي الکترود کاري از جنس فولاد زنگ نزن L ۳۱۶، در جدول ۱ نشان داده شده است .
اين الکترودها به شکل استوانه با قطر ۱۰ و ارتفاع ۱۲ ميلي متر تهيه و به پايه هاي شيشه اي مطابق استاندارد شرکت EG&G متصل شدند و درون سل خوردگي قرار گرفتند. پايه شيشه اي در شکل ۱ نشان داده شده است . قبل از انجام هر آزمون ، ابتدا عمليات سنباده زني تر به ترتيب با سنباده هاي ۸۰، ۱۲۰، ۳۰۰، ۶۰۰ و ۱۲۰۰ بر روي الکترودهاي کاري انجام شد. پس از آن ، نمونه ها در محلول تري کلرو اتيلن قرار گرفته و به روش اولتراسونيک به مدت ۱۰ دقيقه تحت عمليات چربي زدايي قرار گرفتند. پس از چربي زدايي نمونه ها با آب دو بار تقطير و پس از آن با اتانول شسته شده و پس از خشک کردن با دمش هوا، به سرعت تحت آزمون ها قرار گرفتند. تمامي آزمون ها با استفاده از سل استاندارد سه الکترودي EG&G انجام شد. در اين سل از دو عدد الکترود گرافيت استوانه اي با سطح مقطع ۲۰ ميلي متر مربع و ارتفاع ۱۵۰ ميلي متر به عنوان الکترود کمکي و از الکترود کالومل اشباع به عنوان الکترود مرجع استفاده شد.
به منظور ارزيابي رفتار آندي فولاد، آزمون پلاريزاسيون با دستگاه پتانسيواستات . گالوانواستات مدل A٢٦٣ EG&G در محدوده ۰.۲۵- تا VSCE ۱.۰ نسبت به پتانسيل مدار باز با نرخ روبش ١-mV sec ۱ انجام شد. هم چنين جهت تعيين نوع لايه رويين تشکيل شده ، آزمون موت - شاتکي با دستگاه پتانسيواستات . گالوانواستات Ametek مدل ٢٢٧٣ PARSTAT انجام شد. براي انجام اين آزمون ، ابتدا نمونه ها در پتانسيل تشکيل لايه رويين به مدت ۶۰ دقيقه نگه داري شدند و سپس با نرخ روبش
۲۵، تغييرات ظرفيت خازني برحسب پتانسيل اعمالي از پتانسيل ۰.۸ تا VSCE ۰.۲- رسم شد.
شکل ١. پايه شيشه اي مطابق استاندارد آزمون شرکت EG&G ونمونه متصل به آن .
٣- نتايج و بحث
همان طور که در شکل ۲ ديده مي شود، فولاد زنگ نزن L ۳۱۶ در محلول ٠.٠٥ مولار اسيد سولفوريک در محدوده ي پتانسيل ۰.۲- تا VSCE ۰.۸ رويين مي شود.
شکل ۳ منحني موت - شاتکي لايه رويين فولاد زنگ نزن L را نشان مي دهد. همان طور که در اين شکل مشاهده مي شود شيب منحني موت - شاتکي تا پتانسيل VSCE ۰.۶ مثبت و در پتانسيل هاي بيش - تر از آن منفي است که به ترتيب نشان دهنده لايه رويين تشکيل شده نوع -n و نوع -p است . در حقيقت براي نيمه هادي هاي نوع -p ، ٢-C برحسب پتانسيل به طور خطي با شيب منفي تغيير مي کند که اين شيب به طور معکوس با چگالي گيرنده هاي الکتروني ١ (NA) متناسب است . اما براي نيمه هادي هاي نوع -n ، اين شيب مثبت است و به طور معکوس با چگالي دهنده هاي الکترون ٢ (ND) مرتبط است .
شکل ٣. منحني موت - شاتکي لايه رويين تشکيل شده روي فولاد زنگ نزن L در محلول ۰.۰۵ مولار اسيد سولفوريک .
به طور کلي معادله موت - شاتکي براي نيمه هادي نوع -p و نوع -n مطابق با معادلات ١ و ٢ به دست مي آيد[ ٨و ٩]:
در اين معادلات ، ˆε ثابت دي الکتريک لايه رويين ، ε٠ نفوذ پذيري خلا ، e بار الکتريکي الکترون ،NA تعداد گيرنده هاي الکتروني براي لايه رويين نوع -p بر حسب تعداد دهنده هاي الکتروني براي لايه رويين نوع -n بر حسب پتانسيل اعمالي بر حسب ولت ، Efb پتانسيل فلت (پتانسيل تعادلي مدار باز لايه رويين يا همان لايه اکسيدي در تماس با محلول خورنده در نبود زير لايه فلزي )، kB ثابت بولتزمن و T دما بر حسب درجه کلوين است [١٠]. معادلات ١ و ٢ نشان مي دهند که شيب منحني هاي موت - شاتکي براي نيمه هادي هاي نوع -p و نوع -n به ترتيب برابر بنابراين با استفاده از شيب منحني هاي موت - شاتکي ، چگالي حامل هاي بار را با دانستن مقادير و
براي لايه رويين فولادهاي زنگ نزن [١١]) مي توان به دست آورد.
