بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، جزایر نانومتري نقره بر روي شیشه و سیلیکون به روش لیزر پالسی در دماهاي 25-450 °C لایه نشانی شده است. خواص اپتیکی و مورفولوژي نمونه ها با اسپکتروفوتومتر نوري و میکروسکوپ نیروي اتمی مطالعه شده است. نتایج نشان میدهد لایه نشانی در دماهاي کم باعث میشود تا یک لایهي متشکل از جزایر نانومتري کوچک و در عین حال پیوسته تشکیل شود در حالیکه با افزایش دما این جزایر نانومتري به طور مجزا از هم رشد کرده و ابعادشان نیز بزرگتر میشود.
شواهد دیگر نیز نشان می دهند در دماهاي پایین نمونه ها هدایت الکتریکی قابل اندازه گیري دارند در حالیکه در دماهاي بالاتر مقاومت الکتریکی قابل ملاحظهاي ندارند. مجموعهي این مشاهدات نشان می دهد در دماهاي بالاتر به دلیل افزایش نفوذ سطحی اتمهاي نقره رشد جزیره اي بر رشد لایه به لایه غلبه کرده و پدیده انعقاد بین جزایر در لایه اتفاق نمی افتد.
مقدمه
روش لیزر پالسی ماده هدف و زیرلایه معمولا به موازات یکدیگر لایههاي نازك و نانوذرات نقره مانند دیگر فلزات نجیب در یک محفظه خلا نصب میشوند و باریکههاي لیزر نانوثانیهاي خصوصیات فیزیکی1، شیمیایی2 و زیستی3 جالب توجهی دارند. به طور پی در پی تحت زاویه به آن برخورد میکند.
انرژي این ساختارها به روشهاي فیزیکی و شیمیایی مختلفی میتوانندفوتونهاي جذب شده اثرات ثانویهاي به همراه دارد که در طول تهیه شوند. - 5-4 روشهاي فیزیکی رشد نانوساختارهاي نقره بر پایه مدت چند میکروثانیه مجموعه آن باعث ایجاد یک محیط متمرکز تبخیر فلز نقره در محیط کنترل شدهاي مانند خلاء یا گاز خنثی پلاسمایی به نام پلوم شده که در راستاي عمود بر سطح هدف صورت می پذیرد. انرژي لازم براي تبخیر و انتقال اتم هاي پخش انتشار مییابد - . - 6 بدین ترتیب اتمها و خوشههاي منفرد به سطح شده به روشهایی چون تبخیر حرارتی، بمباران یونی و برهمکنش زیرلایه هدایت شده و به تدریج یک لایه از جنس هدف بر روي پالس بسیار کوتاه لیزر با ماده هدف - نقره فلزي - فراهم میشود. در آن رشد میکند.
نحوه دانهبندي در روي سطح به عواملی توانایی جابجایی اتمها روي سطح - نفوذ سطحی - بستگی دارد. یکی از عوامل مهم در این گونه تحركپذیري، انرژیی است که اتمهاي فرودي به دلیل دماي زیرلایه میتوانند کسب کنند. بنابراین انتظار میرود در دماهاي مختلف، خصوصیت لایه - حداقل در مقیاس نانو - تفاوت داشته باشد. به خصوص اینکه در روش لایهنشانی لیزر پالسی مقیاس زمانی فرایندهاي سطحی خیلی کمتر از فاصله زمانی بین پالسهاي لیزر است. در نتیجه شاید در این روش بهتر بتوان اثرات واهلشهاي سطحی بر نحوه رشد را مشاهده کرد.
در این مقاله لایه هاي نازك نقره به روش لیزر پالسی در دماهاي مختلف و در محیط خلا بالا1 رشد داده شدهاند. بررسی خواص اپتیکی، مورفولوژي و الکتریکی سطح نشان می دهد بستگی محسوس و جالب توجهی بین دماي رشد و نحوه شکل گیري و مجزا شدن جزایر نانومتري نقره وجود دارد. این اثرات را میتوان به افزایش تحركپذیري اتمهاي نقره در سطح نسبت داد.
آمادهسازي و تهیه نمونهها
لایههاي نانوساختار نقره به روش لایهنشانی لیزر پالسی بر روي زیرلایههاي شیشه و سیلیکون لایهنشانی شدند. براي این منظور از یک محفظه خلا با فشار زمینه 1×10- 6 Torr استفاده شد. پرتو یک لیزر اگزایمر، با طول موج 248 nm - گاز - KrF و انرژي حدود 60 mJ بر روي یک هدف چرخان از جنس نقره با خلوص بالا در درون محفظه خلا متمرکز شد.
بحث و نتایج
طیفهاي پراش پرتو ایکس نقره بر روي سیلیکون در هر دو محدوده بالا و پایین دمایی در شکل - - 1 رشد نقره با ساختار کریستالی fcc را نشان میدهد. طیفهاي عبور اپتیکی لایههاي نقره در شکل - - 2 براي دماهاي مختلف لایه نشانی نشان داده شده است. مشاهده میشود در دماهاي شکلکمتر از 150 °C طیفها کلی یکسانی دارند به گونهاي که در ناحیه مریی با افزایش طول موج نور فرودي عبور اپتیکی کاهش مییابد و با ورود به ناحیه مادون قرمز به مقدار ثابتی نزدیک می شود. این در حالی است که نمونه هاي ساخته شده در دماهاي بالاتر از 150 °C یک قله جذب در محدوده 550 nm دارند که همان قله جذب پلاسمونی نقره است. این نمونهها در ناحیه نزدیک مادون قرمز از شفافیت قابل ملاحظهاي در مقایسه با نمونههاي دماي پایینتر دارند.
شکل: 1 طیف پراش پرتو ایکس نمونه هاي نقره لایهنشانی شده در 25 °C - a - و .450 °C - a - ضخامت نمونه - b - حدود سه برابر نموه - a - است.
لایه ثابت و برابر 65 mm میباشد. نمونه هاي متفاوتی در شرایط یکسان ولی در دماهاي مختلف - بین دماي اتاق و دماي - 450 C تهیه شد. بررسی ساختار کریستالی نمونههاي ساخته شده توسط دستگاه پراش پرتو ایکس - XRD - با طول موج 5460 Åر1 و چشمه Cukα - مدل - XPERT انجام شد. براي بررسی خواص اپتیکی نمونهها از دستگاه اسپکتروفوتومتر مدل Jasco-V530 در ناحیه مریی تا مادون قرمز نزدیک - 200- 1100 nm - استفاده گردید. توپوگرافی و زبري سطح لایهها توسط میکروسکوپ نیروي اتمی - AFM - مدل Veeco بررسی شد.
شکل: 2 عبور اپتیکی لایه هاي نازك نقره در دماهاي متفاوت لایهنشانی با لیزر پالسی.
براي مطالعه تغییر رفتار اپتیکی لایهها، تصاویر دو بعدي میکروسکوپ نیروي اتمی - AFM - برخی نمونههاي نقره لایهنشانی شده در دماهاي متفاوت در شکل - 3 - نشان داده شده است. به طور کلی سطح لایهها از دانههاي نانومتري بزرگ و کوچکی تشکیل شده است که به عنوان مثال در شکل - b - میتوان دید چند ذره با ابعاد بیش از 150 nm در میان انبوهی از ذرات با اندازه تقریبی 20 nm و توزیع نسبتا یکنواخت قرار گرفتهاند. با افزایش دماي زیرلایه، مورفولوژي سطح لایهها به طور محسوسی تغییر میکند به گونهاي که مطابق جدول - 1 - زبري سطح لایهها افزایش می یابد. این تغییرات با ظهور تعداد بیشتري از جزایر نانومتري همراه است که با افزایش دما بر تعداد آنها افزوده می شود.
نمودار روبش خطی هر کدام از تصاویر نیز نشان میدهد با افزایش دما ارتفاع دانههاي روشن نسبت به افت و خیزهاي زمینه آن افزایش مییابد. بنابراین از تصاویر AFM میتوان این نتیجه را گرفت که لایهنشانی در دماهاي کمتر باعث تشکیل یک لایه با پیوستگی بیشتر بین جزایر فلزي می شود در حالیکه در دماهاي بالاتر این جزایر از هم جدا شده و اتصال آنها به همدیگر به طور قابل ملاحظهاي از بین میرود. این موضوع نتایج اپتیکی را نیز تایید میکند. زیرا در دماهاي پایین تر یک لایه نقره فلزي با گستردگی عرضی کامل بر روي زیر لایهتشکیل شده است و ضمن اینکه پلاسمونها در جذب اپتیکی محدوده 550 nm نقش دارند ناحیه نزدیک مادون قرمز توسط لایه جذب یا منعکس می شوند.
بدین ترتیب طیفی به دست میآید که در محدوده طول موجی وسیعتري جذب اپتیکی دارند. این در حالی است که جدایش جزایر نانومتري در دماهاي بالاتر سطح قابل ملاحظهاي از لایه را بدون هرگونه پوششی باقی گذاشته و امکان جذب یا انعکاس طولموجهاي ناحیه نزدیک مادون قرمز را کم و در عین حال امکان عبور را زیاد میکند. نکته جالب توجه اینکه جذب پلاسمونی در نمونههاي دماي بالاتر بیش از نمونه هاي دماهاي پایین است. این ممکن است به این دلیل باشد که با تشکیل جزایر نقره در دماي بالا ابعادشان حداقل در جهت عرضی بسیار کوچک شده و ضریب جذب افزایش مییابد.
شکل: 3 تصاویر AFM از تشکیل جزایر نانومتري نقره در دماهاي لایه نشانی مختلف: 150 - a - ، 250 - b - ، - 350 - c و 450 - d - درجه سانتیگراد
