بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق فلز تیتانیوم به روش همزمان RF-Sputtering و RF-PECVD در بستری از لایه نازک کربن شبه الماسی، لایهنشانی شده است. با تغییر شرایط لایهنشانی از جمله فشار، توان، گاز مورد استفاده و ضخامت یا مدت زمان لایهنشانی، نانوذرات تیتانیوم با اندازههای متفاوت ساخته شد. برای اولین بار نانوذرات پلاسمونیک تیتانیوم ساخته شد. با بررسی نتایج طیفسنجی UV_Vis، با افزایش اندازه ذرات، شدت و محل قله تشدید پلاسمون سطحی موضعی تیتانیوم تغییر کرده و گاف انرژی اپتیکی این ساختار نیز کاهش مییابد.
مقدمه
در سالهای اخیر پیشرفت نانوفناوری موجب استفاده از نانوذرات در زمینههای مختلف الکترونیک، وسایل نوری، صنعت،تشخیص بیماری، دارورسانی، بیوسنسورها، عکس برداری و ....شده است.یکی از مهمترین خصوصیاتی که تمایل استفاده از نانوذرات را افزایش داده است، وابستگی خصوصیات اپتیکی و دینامیکی و ....این ذرات به شکل و ابعاد آنها است که قابلیت کنترل کردن ودستیابی به حالتهای مورد نظر را فراهم نموده است. از جمله این خصوصیات، جذب تشدید پلاسمون سطحی موضعی - LSPR - این ذرات است. البته فرایندهای جذب بسیاری در مواد وجود دارند اما با توجه به جنس مواد و اندازههای آنها یک یا چندپدیده در محدوده خاصی غالب خواهد بود و بررسیهای مورد نیاز در محدوده مورد نظر انجام میگیرد.
پلاسمون در واقع برانگیختگی تشدیدی دستهجمعی گاز الکترون ماده رسانا بهوسیله تابش پرتو الکترومغناطیسی است. مواد رسانا در لایه هدایت خود دارای الکترونهای زیادی است که این الکترونهابرهمکنش کمی با هسته دارند. پرتو تابیده شده توسط منبع نور موجب تحریک ارتعاشات طولی و یا عرضی حرکات جمعی الکترونها میشود که کوانتای این نوسانات را "پلاسمون"میگویند. تا کنون تحقیقات بسیار زیادی بر روی مواد گوناگون جهت دستیابی به فرکانسهای LSPR قابل کنترل و متفاوت در سالهای اخیر صورت پذیرفته است که فلزات واسطه بهترین تولیدکنندگان پلاسمون هستند زیرا چگالی الکترون آزاد در حرکت آنها زیاد است و از طرف دیگر تفاوت محدوده جذب بین باندی با فرکانس تشدید هم بایستی زیاد باشد تا خوصیات پلاسمونیک ازجذبهای دیگر متأثر نگردند .[1,2]فرکانس و عرض جذبپلاسمون وابسته به شکل و اندازه نانوذرات فلزی است، همچنین به ثابت دیالکتریک محیط و فلز هم وابسته است .[3]
پلاسمونهای حجمی و هم سطحی فرکانس تشدیدی را نشان میدهند که وابسته به هندسه، ضریب شکست، چگالی الکترونهای ذرات فلزی و ضریب شکست محیط اطراف است. از کاربردهای نانوذرات پلاسمونیک میتوان به ساخت حسگرهای زیستی، پلاسمونیک در درمان سرطان، نانو آنتنهای پلاسمونیک، موجبرهای پلاسمونیک، پلاسمونیک و افزایش بهرهوری سلولهای خورشیدی، متامتریالها و افزایش بهرهوری کاربردهای پلاسمونیک و ... اشاره کرد .[4,5] با وارد کردن ناخالصی فلزی در لایههای نازک کربن شبه الماسی - DLC - انتظار میرود نیروی بین اتمها در سطح کربن-فلز تضعیف شود در نتیجه رفتار ساختاری و خصوصیات سایشی مطلوبتری نسبت به خود DLC داشته باشد .[6]لایههای نازک کربن شبه الماس دارای گاف اپتیکی حدود 0.4-5 eV میباشند، چگونگی وارد کردن ناخالصی فلز و تغییرپارامترهای رشد لایهها از مسائل مهم در این حیطه از فنآوری میباشند. در این تحقیق ساخت لایههای نازک کربن شبه الماس تیتانیوم اندود و بررسی مکانیزم رشد لایهها در شرایط مختلف است. سپس به بررسی قله LSPR و اندازهگیری گاف اپتیکی و تحلیل نتایج بهدست آمده آنها میپردازیم.
بخش تجربی تهیه لایهنازک
با روش RF-Sputtering و RF-PECVD دو سری نمونه لایهنازک کربن شبه الماس تیتانیوم اندود شده در توان، فشار، ضخامتو با گاز مختلف رشد دادیم. از شیشه به عنوان زیرلایه استفاده
کردیم. در نمونههای سری اول فقط از گاز استیلن استفاده کردیم و در نمونههای سری دوم همزمان از گاز استیلن و آرگون به نسبت های مشخص استفاده شد. تمام نمونه ها در دمای محیط ساخته شده اند. فاصله بین دو الکترود - هدف و زیرلایه - 4 cm میباشد.اطلاعات نمونههای ساخته شده در جدول 1 و 2 ذکر شده است.نمایی از محفظه در شکل 1 نشان داده شده است.
بحث و نتیجهگیری
نانوذرات فلز تیتانیوم در بستری از کربن شبه الماسی تشکیل شده به کمک گاز هیدروکربنی استیلن جایگزیده شد. گاز آرگون برای جداسازی بهتر ذرات هدف مورد استفاده قرار گرفت. با مقاومتسنج دو پروبی، مقاومت نمونهها را اندازه گیری شد، طبق انتظارنمونههای سری دوم مقاومت کمتری از خود نشان دادند که ایننشاندهدهی آن است که درصد تیتانیوم تشکیل شده در این سریبیشتر است. مقدار تیتانیوم موجود در لایه بر مقاومت لایهها تاثیر مستقیم دارد. در طول فرآیند لایه نشانی پلاسمای یکنواختی بین صفحه هدف تیتانیوم و زیرلایه شیشه بوجود میآید. ذرات به
روش کندوپاش از کاتد تیتانیوم بر روی نگهدارنده زیرلایه منتقل میشوند. از آنجایی که پلاسمای یکنواختی بین دو الکترود ایجاد شده، ذرات کندوپاش شده بر روی کل سطح انباشت میشوند،
بنابراین ضخامت لایه تقریباً یکنواخت است.
جذب تابشهای الکترومغناطیسی از قانون بیر-لامبرت تبعیتمیکند که جذب تابش الکترومغناطیسی با چگالی و ضخامت لایهمتناسب است.مقدار log I0/It را جذب نامیده و با A نشانمیدهند.ε نماینده حساسیت اندازهگیری است که به دما، نوع نانوذره و طول موج اندازهگیری بستگی دارد و ابعاد مختلف دارد. شدت وپهنای قله پلاسمونی به ε و اندازه ذره بستگی دارد .[7] هرگاه قلهجذب به سمت طولموجهای بلندتر - انرژی و فرکانس کمتر - برودفاصله بین تراز انرژی کمتر شده و از این رو انرژی کمتری برایانتقال الکترونی لازم خواهد بود. با بررسی قلههای جذبی LSPR اطلاعات مفیدی در مورد اندازه، شکل تابع دیالکتریک و ....نانوذرات فلزی به دست خواهد آمد.
طیف جذبی اندازهگیری شده نمونهها، رسم شده و شدت و محل قلهها تعیین شدند. طیف جذبی نمایشگر قله پلاسمونی اصلی مربوط به نمونههای a-3، a-4، b-4 و b-5 در شکل 2 آوردهشدهاست. با استفاده از طیفهای جذبی بهدست آمده از دستگاه اسپکترومتر، گاف اپتیکی لایهها را از معادله تائوک محاسبه شدنتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی FESEM در شکل های 4-قابل مشاهده است. همانطور که در شکلهای 5 و 6 مشاهدهمیشود نانوذرات بصورت یکنواخت در سطح توزیع شدهاند. دربعضی نواحی نانوذرات به هم چسبیدهاند و حالت کلوخهای شده است. یکی از دلایلی که اندازه نانوذرات کمی بزرگ است، به همپیوستن نانوذرات کوچکتر در اثر افزایش مدت زمان لایهنشانی که باعث کلوخهای شدن نانوذرات شده است میباشد.
