مقاله ترمودینامیک جوانه زنی و رشد فازهای جامد از فاز بخار

word قابل ویرایش
8 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

ترمودینامیک جوانه زنی و رشد فازهای جامد از فاز بخار
چکیده
در تئوری ترمودینامیک جوانه زنی هتروژن جامد از فاز بخار، جوانه ها به صورت یک عرقچین با زاویه تماس که از معادله یانگ تبعیت می کند، می باشند. در نتیجه ، انواع حالت های جوانه زنی و رشد لایه ای و جزیره ای به صورت یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی مشخص می شود. بدلیل کاربرد های بسیار زیاد الماس ، تحقیقات زیادی بر روی جوانه زنی و رشد الماس صورت گرفته است و انرژی آزاد گیبس برای تشکیل یک جوانه کروی بحرانی محاسبه شد که در رابطه آن تاثیر سطح بررسی شده و در ادامه رشد، الماس به صورت نانو وایر در داخل نانو لوله های کربنی به کمک فرآیند CVD مطالعه می شود. نتایج نشان می دهندکه جوانه زنی الماس بر روی سطح صاف سیلسیم دشوارتر می باشد، به عبارت دیگر الماس ترجیح می دهد که در نانو لوله های کربنی جوانه زده که دلیل آن ، تغییر کشش سطحی در اثر شعاع انحنای نانو لوله های کربنی می باشد. شعاع بحرانی و انرژی جوانه زنی با افزایش شعاع نانو لوله های کربنی افزایش می یابد. در نتیجه جوانه زنی الماس در داخل نانو لوله های کربنی با شعاع کوچکتر آسانتر می باشد.
واژه های کلیدی : ترمودینامیک ، جوانه زنی، رشد، فاز بخار، نانو وایر ، الماس ، CVD

١- مقدمه
در تئوری ترمودینامیک جوانه زنی هتروژن جامد از فاز بخار[١]، جوانه ها به صورت یک عرق چین با زاویه ی تماس ̦ با زمینه در نظر گرفته می شود.
معادله ی یانگ ارتباط بین انرژی فصل مشترکها را به صورت زیر بیان می کند:

در جایی که اندیس های o و i و s به ترتیب زمینه ، فصل مشترک و کلاستر را معرفی می کنند که با استفاده از پارامترهای زمینه و رسوب بخار فوق اشباع به سه حالت جوانه زنی و رشد با توجه به مقدار زاویه تماس ̦s
تقسیم می شوند:
١) :تحقیقات Volmer Weber نشان می دهند که رشد به صورت جزیره ای سه بعدی بوده و روابط (١) بر قرار است . انرژی چسبندگی میان جذب شونده و اتم های متراکم شده (مثل تشکیل کلاستر) بزرگتر از انرژی چسبندگی میان اتم های زمینه و اتم های متراکم شده می باشد. رشد جزیره ای از شروع رسوب اتم ها و جوانه زنی رخ می دهد. این روش جوانه زنی و رشد معمولا برای موادی با انرژی سطحی بالاتر نسبت به زیرلایه می باشد.
٢) تحقیقات Frank- vander Merwe نشان می دهد رشد به صورت لایه ای دوبعدی می باشد. در این مورد̦ می باشد انرژی چسبندگی بر انرژی پیوستگی غلبه می کند و فیلم بصورت لایه به لایه رشد می کند. این روش رشد بطور معمول برای پوشش هایی با انرژی سطحی پائین تر نسبت به زیرلایه می باشد.
٣) :تحقیقات Krastanov-Stranski نشان می دهد که رشد به صورت لایه ای و جزیره ای می باشد در این مورد̦ می باشد و انرژی کرنش در کلاستر بزرگتر از می باشد. یک یا تعداد بیشتری تک لایه در ابتدای رشد تشکیل می شوند. کرنش نهایی در لایه ها با افزایش ادامه ی رشد بدلیل فاکتور عدم تطابق افزایش می یابد. وجود کرنش در تک لایه ها باعث شکسته شدن آسان ترتک کریستال به پلی کریستال می شود و در نتیجه رشد سه بعدی جزیره ای مشابه Volmer-Weber بر روی لایه ها به وجود می آید که باعث کاهش انرژی نهایی سیستم زمینه (فیلم ) می شود. این روش در بیشتر برآیند های های رشد هترو اپیتاکسی در جایی که مواد مشاهده شده انرژی سطحی را ارضا می کند دیده می شود. تنها اگر زیرلایه انتخاب شده در چنین روشی باعث مینیمم شدن و جلو گیری شدن کرنش در رسوب شود رشد فیلم تک کریستال آن ممکن خواهد بود.
تحقیقات نشان می دهند که جوانه زنی و رشد جزیره ای سه بعدی تنها در مورد جوانه زنی و رشد الماس بر روی تمامی زیر لایه های غیر الماسی می باشد، در حالی که سطح الماس بطور شیمیایی بیشترین انرژی سطحی در بین مواد شناخته شده دارد. انرژی سطحی بالای الماس به شدت تعداد زیر لایه ها یی که باعث می شوند رشد دو بعدی لایه ای را محدود می کند. آنالیز انرژی سطح و فصل مشترک سیستم های زیر لایه – الماس نشان می دهد که BeO وBN زیرلایه مناسب برای رشد هترو اپی اکسی الماس می باشد و نوع پیوند زیرلایه مهمترین فاکتور در تطابق شبکه می باشد. برای مثال مس دارای تطابق شبکه خوبی با الماس می باشد اگرچه زمینه هترو اپیتاکسی به دلیل کاهش انرژی سطحی و انرژی چسبندگی پایین به الماس محدود می باشد. [٢]و[٣]
تحقیقات Volmer-Weber نشان می دهد که جوانه زنی و رشد سه بعدی الماس در تعدادی از تجربیات جوانه زنی الماس دیده شده است .تئوری می توا ، یک مدل جوانه زنی معمولی با استفاده از انرژی فعالسازی جوانه زنی محاسبه شده از نتایج آزمایشگاهی را ارائه نمود. انرژی فعالسازی جوانه زنی الماس بر روی سیلسیم تخمین زده شده است .
انرژی آزاد گیبس تشکیل یک جوانه کروی بحرانی از رابطه زیر بدست می آید :

که انرژی آزاد سطحی در فصل مشترک جوانه – بخار می باشد و اختلاف انرژی آزاد حجمی میان بخار و فاز جامد می باشد. پس اصلاح سطح بسیار ضروری می باشد.
٢- تاثیر کشش سطحی بر روی جوانه زنی و رشد از فاز بخار به کمک سنتز نانو وایر های الماس هدف از سنتز نانو وایرها ، بررسی ترمودینامیکی عوامل موثر بر فشار بوده که بر انرژی آزاد گیبس جوانه های بحرانی تاثیر دارند. برای روشن شدن موضوع ،جوانه های الماس در نانو لوله های کربنی تحت فرآیند CVD بررسی شد . این بررسی که مبتنی بر دیاگرام فازی تعادلی کربن می باشد به طور مشخص نشان داد که جوانه زنی الماس در نانو لوله های کربنی را تتر می باشد که می توان دلیل این امر را کاهش انرژی سطحی به وسیله انحنای نانو لوله های کربنی دانست که مقایسه بین جوانه زنی روی سطح صاف سیلیسیم و نانو لوله این امر را نشان می دهد. می توان گفت که نانو لوله های کربنی بر روی رشد نانو وایرهای الماس به روش CVD تاثیر دارند.
نانو لوله های کربنی کاربردهای زیادی مثل غشا ها و نانو لوله ها برای عبور گاز یا مایع دارند. به طور مشخص سرعت انتقال گاز متان وهیدروژن د نانو لوله های کربنی خیلی بیشتر از انتظار می باشد[۴] همچنین ، بدلیل کاربردهای زیاد الماس ، این ماده مورد توجه می باشد. اخیرا تحقیقاتی بر روی نانوساختارهای الماس برپایه CVDصورت گرفته است . جوانه زنی ورشد نانووایرهای الماس در داخل نانولوله های کربنی تحت فرآیندCVD بر پایه ی فرضیات زیر استوار می باشد :
١- نانوجوانه ها به صورت عرق چین و فاقد عیب می باشند.
٢- نانوجوانه ها طی برهم کنش دو طرفه به وجود می آیند.
در اثر برهم کنش گاز متان با نانولوله های کربنی، کلاسترهای کربنی متراکم شده روی دیواره داخلی نانولوله های کربنی ایجاد می شوند به طور هم زمان الماس در نانولوله های کربنی به وسیله ی استحاله فاز مبتنی بر ترمودینامیک دیاگرام تعادلی فازها جوانه خواهد زد. معمولا انرژی آزاد گیبس از اختلاف انرژی فازها تحت شرایط ترمودینامیکی بدست می آید. بنابراین هر دو فاز الماس و گرافیت می تو نند وجود داشته باشند و لذا آن فازی که انرژی آزاد مینیمم دارد فاز پایدار بوده و دیگری فاز شبه پایدار خواهد بود معمولا انرژی آزاد گیبس فاز می تواند به صورت تا بعی از فشار و دما باشد. بر طبق ترمودینامیک جوانه زنی فاز می توان انرژی آزاد گیبس را برای تشکیل جوانه های بحرانی در نانولوله های کربنی محاسبه نمو . اختلاف انرژی آزاد گیبس کلاسترها به صورت زیر بیان می شود:

در جایی که دو ترم اختلاف انرژی سطح و حجم جوانه های اتمی با ساختمان الماسی متراکم شده در یک نانولوله ی کربنی می باشد. تغییر انرژی آزاد گیبس از رابطه زیر بدست می آید:

در این معادله انرژی فصل مشترک جوانه – زمینه و زمینه – بخار و جوانه – بخار می باشد. بعلاوه مساحت فصل مشترک می با شند و مشخص است که جوانه های الماس به شکل عرقچین می باشند( همانطور که در شکل ١ نشان داده شده است ) . در دیواره داخلی نانو لوله های کربنی می باشد که در شکل (b) ١ نشان داده شده است در این مورد الماس بر روی سطح زیر لایه گرافیت جوانه می زند و درشکل (c)١ زمینه سلسیم مسطح می باشد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 8 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد