بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله ما تولید یک نمونه DLC بر روي زیر لایه اي از جنس استیل به روش CVD را گزارش می نماییم. لایه هاي تولید شده به کمک طیف سنجی پس پراکندگی میکرو رامان مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج طیف سنجی رامان نشان داده است که مشخصه اصلی DLC وجود دو قله کوهانی شکل متصل به هم می باشد. همچنین، نحوه رشد و تشکیل لایه الماس گونه تشریح شده است. با کمک عکس هاي گرفته شده میکروسکپی از سطح نمونه، فرآیند شکل گیري لایه اي از کربن الماس گونه نشان داده شده است.
کلید واژه- رسوب گذاري بخار شیمیایی، طیف سنجی رامان، کربن الماس گونه، لایه نازك
١- مقدمه
کربن الماس گونه، 1 - DLC - یک شکل از ساختارهاي ممکن کربن است. دلیل نام گذاري آن، تشابه بسیار زیاد خواص این ماده با الماس می باشد. بر خلاف الماس که ساختار بلورین دارد، کربن الماس گونه، ترکیب یکتایی ندارد و شامل مخلوطی از شکل هاي بلورین و بی شکل - آمورف - است. مشاهدات نشان داده است که این ماده حاوي ترکیبی از پیوند هايsp3 - پیوند هاي الماس گونه - وsp2 - پیوند هاي گرافیت گونه - است [4-1] پیوند هیبریدي sp3، نقش بسیار مهمی در تعیین خصوصیات و شکل گیري این ماده دارد، بطوریکه هر چه مقدار این نوع پیوند هیبریدي بیشتر باشد، نمونه تهیه شده بیشتر خواص الماس گونه اي را از خود نشان می دهد.[5]
همچنین، خواص لایه هاي نازك DLC از جمله خواص نوري، الکترونیکی، سختی و ضریب اصطکاك بسیار پایین آن، به دو عامل نوع پیوند و مقدار هیدروژن موجود در فیلم ها بستگی دارد.[6] علاوه بر این فیلم هاي الماسی و کربن الماس گونه کاربردهاي فراوانی از جمله در صنایع میکرو الکترونیک، الکترونیک نوري، حسگرها، آشکار ساز هاي هسته اي، و وسایل مایکرو ویو دارد و به عنوان پوشش دهنده2 براي دریچه هاي IR بکار می رود.
همچنین به علت سختی فراوان و هدایت حرارتی بالا و مقاومت عالی، به عنوان محافظ در برابر حرارت، اسیدها و تشعشعات، مورد استفاده قرار می گیرد .[7] خواص لایه هاي الماس گونه علاوه بر اینکه به روش لایه نشانی بستگی دارد، به متغیر هاي مختلف لایه نشانی در هر یک از روش هاي موجود نیز، بستگی دارد. بدین ترتیب یکی از مسائل مهم در راه فرآوري و تولید فیلم هاي الماس گونه، بهینه سازي شرایط رسوب گذاري، به منظور افزایش مقدار پیوند sp3 نسبت به sp2 است . [9-8] روش هاي مختلفی براي تولید کربن الماس گونه - DLC - وجود دارد. یکی از این روش ها، روش رسوب گذاري بخار شیمیایی 3CVD - یا - 4TCVD است که در آن از یک کوره حرارتی بطور مستقیم استفاده می شود.
حضور اتم هیدروژن و اثر آن بر سطح زیر لایه، یکی از مهمترین عوامل تاثیر گذار بر این فرآیند می باشد که میزان آن در داخل واکنشگر - رآکتور - CVD، کیفیت محصول تولید شده نهایی را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. در حقیقت در داخل واکنشگر و بر اثر حرارت کوره، مولکول هاي هیدروژن به اتم هاي هیدروژن تبدیل می شوند. سپس این اتم ها، کربن موجود در منبع گازي هیدروکربور - گاز متان - ، که به داخل واکنشگر تزریق می گردد را تحریک کرده و هیبریداسیون آن را از sp2 به sp3 تبدیل می کند. این تحول، به معناي میزان بیشتر حضور نوع هبریداسیون sp3 در داخل نمونه و در نتیجه تولید کربن الماس گونه خالص تر، بهتر و با قله قوي تر می باشد - به خاطر حضور در صد بیشتر پیوند هیبریدي . - sp3 در عین حال، این فرآیند از شکل گیري گرافیت که هیبرید sp2 دارد جلوگیري می کند.[10]
٢- روش انجام آزمایش
جهت ساخت کربن الماس گونه بر روي زیر لایه - بستر - استیل 316 به طریق زیر عمل شده است:
مرحله -1- تنظیم گازهاي مورد نیاز:
الف - شار گاز متان - CH4 - به اندازه 50 sccm5 با استفاده از لوله کشی گاز شهري،
ب - شار گاز هیدروژن با استفاده از یک سامانه ژنراتور تولید گاز هیدروژن، که با هیدرولیز آب دوبار تقطیرشده، گاز هیدروژن را تولید می کند با مقدار شار تزریقی به داخل واکنشگر به میزان 50 sccm ،
ج - شار گاز نیتروژن به عنوان گاز حامل که از یک ژنراتور گازي تولید گاز نیتروژن از هوا، مورد استفاده قرار گرفته و شاري به میزان 100 sccm را به واکنشگر تحویل می دهد. مرحله -2- روشن نمودن کوره که در داخل آن یک زیر لایه از جنس استیل - - Stainless Steel #316 قرار گرفته است، اما قبل از این کار سطح آن با آب دو بار تقطیر و استون شستشو داده شده است و سپس از نانو ذرات کلویید نقره به عنوان کاتالیست، بر روي استیل، استفاده شده است. مرحله -3- با آب بندي کامل لوله کوارتز به عنوان محل انجام واکنش آن را با پمپ تخلیه تا فشار ×10 -3 bar 75 تخلیه نموده و در همین حین از سمت دیگر محفظه، مخلوط گازهاي هیدروژن و نیتروژن را به داخل واکنشگر تزریق نمودیم. مرحله- -4 با رسیدن به دماي مورد نظر یعنی 850 درجه سانتیگراد، به مدت 60 دقیقه گاز متان، با شار 50 sccm را به داخل واکنشگر تزریق نمودیم. مرحله--5 پس از مراحل فوق، جریان گاز متان را قطع کرده و اجازه می دهیم که دماي کوره بطور خود به خود پایین بیاید. در نهایت، نمونه استیل، که لایه نازك کربنی - - DLC بطور بسیار زیبایی بر روي آن بصورت لایه نازك تشکیل شده است، خارج گردید و با استفاده از تجزیه و تحلیل طیف سنجی پس پراکندگی میکرو رامان، و عکس هاي ریخت شناسی سطح، به بررسی ساختارهاي تشکیل شده روي استیل، پرداخته شده است.
٣- بحث و نتیجه گیري
مشاهده طیف رامان بدست آمده از نمونه تولید شده DLC بر روي بستر استیلی مذکور - شکل - 1 که در آزمایشگاه فیزیک دانشگاه تربیت مدرس تولید شده است، چند قله بارز را نشان می دهد. جهت مقایسه، قله اصلی یک قطعه الماس طبیعی که در این آزمایشگاه و توسط طیف سنج رامان گرفته شده است، در شکل 1 - a - ، و در ناحیه طیفی1336 cm-1 به شکل بسیار زیبایی نشان داده شده است. با احتساب مقدار خطاي4 cm-1 وابسته به دستگاه، این مقدار با گزارش هاي جهانیcm-1 1333,5 دقیقا یکسان می باشد. حال می توان طیف رامان نمونه DLC تولید شده بر روي بستر استیل را که در شکل 1 - b - ، نشان داده شده است، با طیف رامان الماس خالص فوق، مقایسه نمود. در حقیقت وجه تمایز عمده بین سه شکل کربنی الماس، گرافیت و الماس گونه، به کمک طیف سنجی رامان به خوبی قابل بیان است.
در طیف سنجی رامان، دو قله D و G که در کنار یکدیگر و مانند کوهان شتر، قرار گیرند، نشان دهنده مخلوط هیبریدهاي sp2 و sp3 هستند، در حالی که الماس خالص و گرافیت خالص، هر کدام یک قله تیز مخصوص دارند. در الماس، همانطور که در شکل 1 - a - نشان داده شده، قله باریک و بلند مربوطه در ناحیه طیفیcm-1 1333 و براي گرافیت خالص، قله باریک و بلند در ناحیه طیفی 1570 cm-1 می باشد .[11] قله رامان مربوط به الماس خالص که ناشی از پیوند سیگما sp3 است در ناحیه حدود 1334 قرار می گیرد ولی در DLC که پیوند هاي گرافیتی sp2 نیز حضور دارند، به دلیل بزرگتر بودن پراکندگی رامان پیوند هاي پی sp2 قله هاي رامان الماسی sp3 مستقیما مشاهده نمی شوند و وجود پیوند هاي sp3 بطور غیر مستقیم بر روي قله هاي رامان گرافیتی در دو ناحیه D و G تاثیر می گذارند به طوري که کاهش یافتن قله D نسبت به قله G نشانگر افزایش میزان sp3 است. علاوه بر قله اصلی الماسی، یا مد - D Diamond - که در حوالی ناحیه 1334 cm-1 به همراه مد D گرافیتی - که به شکل یک قله پهن از حدود cm-1 1330 تا 1350 cm-1 گسترده شده است - مشاهده می شود، قله گرافیت گونه - Graphite - G را نیز در ناحیه 1562 cm-1 می توان دید، که به شکل ضعیف تر از مد الماس گونه D می باشد
