بخشی از مقاله
چکیده
مورفولوژی ساختارهای نانو متخلخل سیلیکان ایجاد شده ضمن فرایند حکاکی ناهمگن با رویکرد فراکتالی مورد بررسی قرار می گیرد. تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی FESEM ظهور ساختارهای هرم گونه را ضمن فرایند حکاکی نشان می دهد. تحلیل چند فراکتالی افت و خیز حذف روند شده MFDFA مبتنی بر داده های حاصل از میکروسکوپ نیروی اتمی AFM نشان می دهد که سطوح سیلیکان قبل از حکاکی دارای ساختاری منظم و تک فراکتال با نمای هارست H هستند.
فرایند حکاکی منجر به بی نظمی ساختاری شده و سطوحی با خاصیت چند فراکتالی ایجاد می شوند که درجه بی نظمی و شدت چندفراکتالی با زمان افزایش می یابد. نتایج نشان می دهند علت افزایش شدت چندفراکتالی در ناهمگن بودن توزیع ساختارهای هرم گونه و وجود همبستگی های متفاوت در ساختار است.
-1 مقدمه
نانوساختارهای سیلیکان متخلخل با دارا بودن سطح موثر بالا در موارد متعددی مانند غشاها و تصفیه سازی، حسگرها، کاتالیزورها و سلولهای خورشیدی کاربرد دارند. خوردگی سطح سیلیکان در محلول بازی KOH سبب ایجاد سطحی متخلخل با زبری بیشتر و سطح موثر بالاتر خواهد بود. تغییر زبری و ساختاری این سطوح متخلخل منجر به تغییراتی در خواص فیزیکی مانند اپتوالکترونیکی، حرارتی و پراکندگی نور از سطح آنها می شود.
اخیرا برای مشخصه یابی سطوح زبر، تئوری فراکتالی با تعیین بعد فراکتالی و نماهای مقیاس بندی مورد استفاده قرار می گیرد. اغلب سطوح زبر خواص خود متناسبی دارند. برای توصیف سطوح زبر یکنواخت منظم، یک قانون مقیاس بندی با یک نمای مقیاس بندی به نام هارست - H - کافی است. این گونه ساختارها تک فراکتال نامیده می شوند
خود متناسبی و مطالعات آماری پارامترهای زبری مانند ریشه میانگین مجذوری، طول همبستگی، چگالی طیف توانی، تغییر دو بعدی و آنالیز برش هم تراز سطح در فرآیند حکاکی سیلیکان در سیستم های تک فراکتالی متعددی مورد بررسی قرار گرفته است اما به منظور مطالعه کامل مورفولوژی یک سطح زبر در تمام ابعاد، همه نماهای مقیاس بندی q - h - q - یک عدد صحیح است - ، نه فقط نمای هارست - h q ، باید مورد مطالعه قرار گیرند. وجود نماهای مقیاس بندی متفاوت در یک سطح زبر بیانگر بی نظمی و خاصیت چندفراکتالی آن است
اغلب مطالعات صورت گرفته مورفولوژی نانوساختارهای سیلیکانی را بر مبنای ویژگی تک فراکتالی آنها بررسی نموده اند. در این مقاله نشان می دهیم نانو ساختارهای متخلخل ایجاد شده ضمن حکاکی ناهمگن، ساختارهای هرمی گونه بی نظم با خواص چندفراکتالی بوده و ویژگی های این ساختارها را مورد مطالعه قرار می دهیم.
-2 آزمایشات
به منظور ایجاد سطوح سیلیکان نانومتخلخل، ویفرهای سیلیکان نوع p با جهت بلوری - 100 - در محلول بازی KOH سه مولار و آب دو بار یونیزه در زمانهای متفاوت تا 60 دقیقه حکاکی شدند. ساختار متخلخل ایجاد شده از طریق میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM;VEECO - و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM;Mira2 TESCAN - تصویر برداری شد. مقادیر افت و خیزهای سطحی در مکانهای مختلف حاصل از AFM مورد مطالعه ساختاری قرار گرفت.
شکل:1 تصاویر AFM نمونه های سیلیکان متخلخل؛ به ترتیب از چپ به راست: سیلیکان صیقلی، سیلیکان حکاکی شده پس از گذشت زمان 20 دقیقه و 40 دقیقه
شکل:2 تصویر FESEM نانوساختار سیلیکان با گذشت زمان حکاکی 40 دقیقه. در این تصویر نانوساختارهای هرمی شکل مشهود هستند.
-3 تحلیل فراکتالی با روش MFDFA
روشهای متعددی برای تحلیل خواص فراکتالی و تعیین درجه بی نظمی مورفولوژی یک سطح زبر وجود دارند؛ مانند روش تحلیل طیفی، تحلیل افت و خیز، تحلیل افت و خیز حذف روند شده و تبدیل موجک های گسسته ولی روش تحلیل چند فراکتالی افت و خیز حذف روند شده MFDFA برای داده های تجربی و آزمایشگاهی نتایج دقیق تری به همراه دارد.
در این روش ارتفاع سطح را در مکان نشان داده و آن را به پنجره هایی با اندازه s s تقسیم می کنیم.
حاصل جمع ارتفاعات را در هر پنجره که با اندیس w نشان داده می شود تعیین می کنیم:
حال اگر به ازایq های مختلف نمای h - q - ثابت بماند، سطحی منظم و تک فراکتال با نمای - h - q داریم؛ در غیر این صورت سطح دارای ویژگی بی نظمی چند فراکتالی می باشد که برای تعیین خواص این سطح تعیین نمای h - q - الزامی است.
شکل 2 طیف h - q - برای سطح سیلیکان اولیه و سطح سیلیکان حکاکی شده پس از 40 دقیقه را نشان می دهد. با توجه به این شکل، ویفر سیلیکان صیقلی سطحی با افت و خیزهای منظم یا تک فراکتال با نمای هارست بوده که با گذشت زمان حکاکی بی نظمی های موجود در مورفولوژی سطح افزایش یافته و سطحی چندفراکتال داریم که مقدار نمای h - q - به ازای q های مختلف متغیر است.
