بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ترموديناميک جوانه زني و رشد فازهاي جامد از فاز بخار
چکيده
در تئوري ترموديناميک جوانه زني هتروژن جامد از فاز بخار، جوانه ها به صورت يک عرقچين با زاويه تماس که از معادله يانگ تبعيت مي کند، مي باشند. در نتيجه ، انواع حالت هاي جوانه زني و رشد لايه اي و جزيره اي به صورت يک بعدي، دو بعدي و سه بعدي مشخص مي شود. بدليل کاربرد هاي بسيار زياد الماس ، تحقيقات زيادي بر روي جوانه زني و رشد الماس صورت گرفته است و انرژي آزاد گيبس براي تشکيل يک جوانه کروي بحراني محاسبه شد که در رابطه آن تاثير سطح بررسي شده و در ادامه رشد، الماس به صورت نانو واير در داخل نانو لوله هاي کربني به کمک فرآيند CVD مطالعه مي شود. نتايج نشان مي دهندکه جوانه زني الماس بر روي سطح صاف سيلسيم دشوارتر مي باشد، به عبارت ديگر الماس ترجيح مي دهد که در نانو لوله هاي کربني جوانه زده که دليل آن ، تغيير کشش سطحي در اثر شعاع انحناي نانو لوله هاي کربني مي باشد. شعاع بحراني و انرژي جوانه زني با افزايش شعاع نانو لوله هاي کربني افزايش مي يابد. در نتيجه جوانه زني الماس در داخل نانو لوله هاي کربني با شعاع کوچکتر آسانتر مي باشد.
واژه هاي کليدي : ترموديناميک ، جوانه زني، رشد، فاز بخار، نانو واير ، الماس ، CVD
١- مقدمه
در تئوري ترموديناميک جوانه زني هتروژن جامد از فاز بخار[١]، جوانه ها به صورت يک عرق چين با زاويه ي تماس ̦ با زمينه در نظر گرفته مي شود.
معادله ي يانگ ارتباط بين انرژي فصل مشترکها را به صورت زير بيان مي کند:
در جايي که انديس هاي o و i و s به ترتيب زمينه ، فصل مشترک و کلاستر را معرفي مي کنند که با استفاده از پارامترهاي زمينه و رسوب بخار فوق اشباع به سه حالت جوانه زني و رشد با توجه به مقدار زاويه تماس ̦s
تقسيم مي شوند:
١) :تحقيقات Volmer Weber نشان مي دهند که رشد به صورت جزيره اي سه بعدي بوده و روابط (١) بر قرار است . انرژي چسبندگي ميان جذب شونده و اتم هاي متراکم شده (مثل تشکيل کلاستر) بزرگتر از انرژي چسبندگي ميان اتم هاي زمينه و اتم هاي متراکم شده مي باشد. رشد جزيره اي از شروع رسوب اتم ها و جوانه زني رخ مي دهد. اين روش جوانه زني و رشد معمولا براي موادي با انرژي سطحي بالاتر نسبت به زيرلايه مي باشد.
٢) تحقيقات Frank- vander Merwe نشان مي دهد رشد به صورت لايه اي دوبعدي مي باشد. در اين مورد̦ مي باشد انرژي چسبندگي بر انرژي پيوستگي غلبه مي کند و فيلم بصورت لايه به لايه رشد مي کند. اين روش رشد بطور معمول براي پوشش هايي با انرژي سطحي پائين تر نسبت به زيرلايه مي باشد.
٣) :تحقيقات Krastanov-Stranski نشان مي دهد که رشد به صورت لايه اي و جزيره اي مي باشد در اين مورد̦ مي باشد و انرژي کرنش در کلاستر بزرگتر از مي باشد. يک يا تعداد بيشتري تک لايه در ابتداي رشد تشکيل مي شوند. کرنش نهايي در لايه ها با افزايش ادامه ي رشد بدليل فاکتور عدم تطابق افزايش مي يابد. وجود کرنش در تک لايه ها باعث شکسته شدن آسان ترتک کريستال به پلي کريستال مي شود و در نتيجه رشد سه بعدي جزيره اي مشابه Volmer-Weber بر روي لايه ها به وجود مي آيد که باعث کاهش انرژي نهايي سيستم زمينه (فيلم ) مي شود. اين روش در بيشتر برآيند هاي هاي رشد هترو اپيتاکسي در جايي که مواد مشاهده شده انرژي سطحي را ارضا مي کند ديده مي شود. تنها اگر زيرلايه انتخاب شده در چنين روشي باعث مينيمم شدن و جلو گيري شدن کرنش در رسوب شود رشد فيلم تک کريستال آن ممکن خواهد بود.
تحقيقات نشان مي دهند که جوانه زني و رشد جزيره اي سه بعدي تنها در مورد جوانه زني و رشد الماس بر روي تمامي زير لايه هاي غير الماسي مي باشد، در حالي که سطح الماس بطور شيميايي بيشترين انرژي سطحي در بين مواد شناخته شده دارد. انرژي سطحي بالاي الماس به شدت تعداد زير لايه ها يي که باعث مي شوند رشد دو بعدي لايه اي را محدود مي کند. آناليز انرژي سطح و فصل مشترک سيستم هاي زير لايه – الماس نشان مي دهد که BeO وBN زيرلايه مناسب براي رشد هترو اپي اکسي الماس مي باشد و نوع پيوند زيرلايه مهمترين فاکتور در تطابق شبکه مي باشد. براي مثال مس داراي تطابق شبکه خوبي با الماس مي باشد اگرچه زمينه هترو اپيتاکسي به دليل کاهش انرژي سطحي و انرژي چسبندگي پايين به الماس محدود مي باشد. [٢]و[٣]
تحقيقات Volmer-Weber نشان مي دهد که جوانه زني و رشد سه بعدي الماس در تعدادي از تجربيات جوانه زني الماس ديده شده است .تئوري مي توا ، يک مدل جوانه زني معمولي با استفاده از انرژي فعالسازي جوانه زني محاسبه شده از نتايج آزمايشگاهي را ارائه نمود. انرژي فعالسازي جوانه زني الماس بر روي سيلسيم تخمين زده شده است .
انرژي آزاد گيبس تشکيل يک جوانه کروي بحراني از رابطه زير بدست مي آيد :
که انرژي آزاد سطحي در فصل مشترک جوانه – بخار مي باشد و اختلاف انرژي آزاد حجمي ميان بخار و فاز جامد مي باشد. پس اصلاح سطح بسيار ضروري مي باشد.
٢- تاثير کشش سطحي بر روي جوانه زني و رشد از فاز بخار به کمک سنتز نانو واير هاي الماس هدف از سنتز نانو وايرها ، بررسي ترموديناميکي عوامل موثر بر فشار بوده که بر انرژي آزاد گيبس جوانه هاي بحراني تاثير دارند. براي روشن شدن موضوع ،جوانه هاي الماس در نانو لوله هاي کربني تحت فرآيند CVD بررسي شد . اين بررسي که مبتني بر دياگرام فازي تعادلي کربن مي باشد به طور مشخص نشان داد که جوانه زني الماس در نانو لوله هاي کربني را تتر مي باشد که مي توان دليل اين امر را کاهش انرژي سطحي به وسيله انحناي نانو لوله هاي کربني دانست که مقايسه بين جوانه زني روي سطح صاف سيليسيم و نانو لوله اين امر را نشان مي دهد. مي توان گفت که نانو لوله هاي کربني بر روي رشد نانو وايرهاي الماس به روش CVD تاثير دارند.
نانو لوله هاي کربني کاربردهاي زيادي مثل غشا ها و نانو لوله ها براي عبور گاز يا مايع دارند. به طور مشخص سرعت انتقال گاز متان وهيدروژن د نانو لوله هاي کربني خيلي بيشتر از انتظار مي باشد[٤] همچنين ، بدليل کاربردهاي زياد الماس ، اين ماده مورد توجه مي باشد. اخيرا تحقيقاتي بر روي نانوساختارهاي الماس برپايه CVDصورت گرفته است . جوانه زني ورشد نانووايرهاي الماس در داخل نانولوله هاي کربني تحت فرآيندCVD بر پايه ي فرضيات زير استوار مي باشد :
١- نانوجوانه ها به صورت عرق چين و فاقد عيب مي باشند.
٢- نانوجوانه ها طي برهم کنش دو طرفه به وجود مي آيند.
در اثر برهم کنش گاز متان با نانولوله هاي کربني، کلاسترهاي کربني متراکم شده روي ديواره داخلي نانولوله هاي کربني ايجاد مي شوند به طور هم زمان الماس در نانولوله هاي کربني به وسيله ي استحاله فاز مبتني بر ترموديناميک دياگرام تعادلي فازها جوانه خواهد زد. معمولا انرژي آزاد گيبس از اختلاف انرژي فازها تحت شرايط ترموديناميکي بدست مي آيد. بنابراين هر دو فاز الماس و گرافيت مي تو نند وجود داشته باشند و لذا آن فازي که انرژي آزاد مينيمم دارد فاز پايدار بوده و ديگري فاز شبه پايدار خواهد بود معمولا انرژي آزاد گيبس فاز مي تواند به صورت تا بعي از فشار و دما باشد. بر طبق ترموديناميک جوانه زني فاز مي توان انرژي آزاد گيبس را براي تشکيل جوانه هاي بحراني در نانولوله هاي کربني محاسبه نمو . اختلاف انرژي آزاد گيبس کلاسترها به صورت زير بيان مي شود:
در جايي که دو ترم اختلاف انرژي سطح و حجم جوانه هاي اتمي با ساختمان الماسي متراکم شده در يک نانولوله ي کربني مي باشد. تغيير انرژي آزاد گيبس از رابطه زير بدست مي آيد:
در اين معادله انرژي فصل مشترک جوانه - زمينه و زمينه – بخار و جوانه - بخار مي باشد. بعلاوه مساحت فصل مشترک مي با شند و مشخص است که جوانه هاي الماس به شکل عرقچين مي باشند( همانطور که در شکل ١ نشان داده شده است ) . در ديواره داخلي نانو لوله هاي کربني مي باشد که در شکل (b) ١ نشان داده شده است در اين مورد الماس بر روي سطح زير لايه گرافيت جوانه مي زند و درشکل (c)١ زمينه سلسيم مسطح مي باشد.
