بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش ، لایههای نازک پالادیم با ضخامت تقریبی50 نانو متر به وسیله عمل تبخیر با باریکه الکترونی در خلاء بالا - - بر روی زیر لایه های شیشه ای تخت نشانیده شد و سپس در دماهای 873 و 1273 کلوین به مدت 1 و 2 ساعت در معرض هوا در کوره بازپخت شدند. برای دست یافتن به اندازه دقیق ضخامت لایههای نازک، از آنالیز RBS استفاده شد. خواص فیزیکی و مورفولوژی آنها به صورت تابعی از دمای بازپخت به وسیله آنالیز طیف سنج پراش پرتو ایکس - XRD - ، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - گسیل میدانی - FE-SEM - و آنالیز EDX مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت . نتایج به دست آمده حاکی از آن است که با افزایش دمای بازپخت خواص بلوری نمونه افزایش یافته و اندازه ذرات تغییر کرده است.
مقدمه
هنگامی که ماده را از حالت تودهای به صورت اتمها، مولکولها یا یونها مجزا درآوریم و بر روی سطح یک زیرلایه بنشانیم، پوششی ایجاد میشود که آن را لایه مینامیم، لایههای نازک و خیلی نازک دو ویژگی مهم دارند. اولین ویژگی، ضخامت زیر میکرونی است. دومین ویژگی آن است که لایهها میتوانند سطوح فوق العاده بزرگی نسبت به ضخامت دارا باشند 2]،.[1 پالادیم، فلزی سفید و نرم است که شبیه پلاتین بوده در مجاورت هوا با اکسیژن ترکیب و سیاه نمیشود. این فلز توانایی جذب قابل توجهی هیدروژن را دارد همچنین پالادیم میتواند به عنوان کاتالیزگر مورد استفاده قرار گیرد.[3]
امروزه با پیشرفت تکنولوژی پیلهای سوختی گاز هیدروژن میتواند به عنوان سوخت پاک استفاده شود. اما مشکل اساسی نیاز به هیدروژن با خلوص بالا است. فناوری لایه نازک از مهمترینفرآیندها برای تولید هیدروژن با خلوص بالا میباشد. همانطوریکه قبلا گفتیم فلز پالادیم به علت انتخاب پذیری بالا، توانایی قابل ملاحظهای در خالصسازی هیدروژن دارد .[4]
در این پژوهش ما لایه نازک پالادیم را به روش تبخیر با باریکه الکترونی تولید کردیم و سپس به بررسی خواص آن پرداختیم.
مواد و روشها
برای تهیه نمونهها از پالادیم با خلوص 99/99 درصد به صورت تودهای، برای زیرلایه لامهایی از جنس کوارتز و از دستگاه لایه نشانی فیزیکی بخار - مدل: - Hind High Vacum برای لایهنشانی استفاده گردید. آنالیزهای انجام شده توسط دستگاههای پس پراکندگی رادرفوردRBS - واقع در سازمان انرژی اتمی ایران - - AEOI، دستگاه پراش پرتو ایکس - واقع در دانشگاه بوعلی سینا - مجهز به آشکارساز گازی و لامپ اشعه ایکس از جنس مس - - Cu و میکروسکوپ الکترونی روبشی - واقع در دانشگاه کردستان، کمپانی TSCAN، کشور چک - که مجهز به آشکارساز EDX نیز میباشد استفاده کردیم.
روش انجام پژوهش
برای انجام لایهنشانی با کیفیت بالا، زیر لایهها کاملا از هرگونه آلودگی پاک شد. پالادیم را به همرا زیر لایهها در محلهای تعبیه شده داخل دستگاه لایهنشانی قرار داده شد. اتاقک خلاء دستگاه توسط پمپهای روتاری و دیفیوژن به فشار mbar رسید. با بالا بردن ولتاژ تفنگ الکترونی تا 9kV، پالادیم مورد نظر بمباران الکترونی، تبخیر و سپس بر روی زیر لایه نشانیده شد. در این عملیات لایههایی با ضخامت 50 نانومتر ساخته شد. 12 نمونه از ضخامت مورد نظر تهیه گردید. تعدادی از نمونهها به صورت خام و بقیه در کوره در دمای 873 و1273 کلوین به مدت 1 و 2 ساعت باز پخت شدند.
نتایج آنالیز RBS
ضخامت نمونهها را به کمک ضخامتسنج کریستالی اندازه گرفتیم. برای اطمینان از ضخامت دقیق لایهها و میزان دقت دستگاه ضخامتسنج، از آنالیز دستگاه پسپراکندگی رادرفورد - RBS - استفاده کردیم. شکل یک آنالیز RBS لایه نازک پالادیوم را نشان میدهد. تجزیه و تحلیل نتایج آنالیز و محاسبات مربوطه نشان داد که بسته به شرایط و محل قرارگیری بوته و زیرلایه از 2 تا 20 درصد خطا در اندازه گیری ضخامت لایهها داریم. همچنین آنالیز RBS نشان داد که لایه علاوه بر پالادیوم، سیلیکون - Si - ، پتاسیم - K - و کلسیم - Ca - نیز دارد که مربوط به زیرلایه میباشند.
شکل : 1 آنالیز RBS نمونه لایه نازک پالادیم
آنالیز XRD همانطوری که میدانیم با استفاده از پراش اشعه X واثر برخورد آن با ماده میتوان ابعاد کریستالی مواد را اندازهگیری کرد. اگر پرتوهای پراش یافته از مواد به صورت پیکهای تیز مشاهده شود، مواد خاصیت بلوری دارند اما در مواد آمورف پیکها پهن و فاقد قله میباشند. شکل 2 الگوهای پراش پرتو X را در بازه زاویهای - - ، قبل و پس از بازپخت در دماهای 873 و 1273 کلوین به مدت یک و دو ساعت را نشان میدهد.
با توجه به استاندارد ICCD Card آنالیز پالادیم و اکسید پالادیم، در دمای 873 کلوین الگوی اکسید پالادیم مشاهده شد، با بالا رفتن دما این الگو تبدیل به پالادیم خالص گشت .[5] این بیانکننده آن است که اکسیژن ها نتوانستهاند ترکیبات خود را در دمای بالا حفظ کرده و جدا شدهاند. قبل از پخت لایه نازک پالادیم دارای ساختار آمورف بوده اما پس از پخت در دمای 873 کلوین صفحات - 34 - 101، - 54 - 112 و - 63 - 113 که با افزایش ماندگاری در همان دما صفحه 101 رشد بیشتری داشته است. در دمای 1273 کلوین صفحات بلوری - 40 - 111، - 47 - 200، - 68 - 220 و - 113 - 63 مشاهده شدند که مربوط به پالادیم خالص میباشد. صفحه 111 رشد بیشتری داشته است.
نتایج نشان میدهد پخت لایه به آن خاصیت بلوری داده که با افزایش دما
خاصیت بلوری نیز افزایش یافته است.
شکل : 2 آنالیز XRD لایه نازک 50nm
شکل : 3 آنالیز SEM مربوط به ضخامت 50نانومتر
- a خام - b دمای 873 کلوین یک ساعت - c دمای 873 کلوین 2 ساعت - d دمای 1273 کلوین یک ساعت
آنالیز FE-SEM
آنالیز سطح لایهنازک پالادیم توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی-گسیل میدانی که تصاویری دو بعدی همراه با بزرگنمایی بالا را میدهد، انجام پذیرفت. شکل 3 مربوط به نتایج آنالیز میکروسکوپ الکترونی فیلم نازک پالادیوم با ضخامت 50 نانومتر قبل از بازپخت و همچنین بعد از بازپخت در دماهای 873 کلوین - مدت زمان یک و دو ساعت - و1273 کلوین - مدت زمان یک ساعت - را نشان میدهد - ستون اول از چپ بزرگنمایی 10000برابرو ستون دوم بزرگنمایی 50000 برابر - .
این تصاویر نشان میدهد که با افزایش دمای بازپخت و همچنین زمان ماندگاری در یک دما - مقایسه یک ساعت و دو ساعت - سطح لایه نازک از حالت نانو میله به حالت بلورهای منظم و کروی تبدیل شدهاند و اندازه ذرات رشد پیدا کرده و نانو میله ها به هم چسبیده و به سمت اندازههای بزرگتر میروند. گفتنی است که اندازه نانو ذرات به علت فرآیندهای انعقاد و کلوخهای شدن در اثر دمای بازپخت رشد پیدا کردهاند. همچنین این بلورها در دمای 1273 منظمتر شدهاند و اندازه ذرات میکرومتری است که نتایج آن با آزمون XRD که پیک های منظم و یکنواختی داده بود تطابق دارد.
