بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر با استفاده از پیشمواد کلریدي و الکل چندعاملی پروپیلن گلایکل، سل PZT تهیه شد. پروپیلن گلایکل هم به عنوان عامل چلاتینگ و هم به عنوان حلال استفاده شد. سلهاي بدست آمده از این روش پایداري به مراتب بیشتري نسبت به سل هاي متداول آبی داشتند و تا بیش از یکسال پایدار بودند. پس از آمادهسازي زیرلایه، عملیات لایهنشانی بهروش چرخشی روي انجام شد و نمونه پس از خشک شدن تحت عملیات حرارتی در دماي 450°C و در نهایت پخت تا دماي580°C قرار گرفت. آنالیز XRD نمونه ها تبلور فاز پروسکایتنمود PZT را تایید . تصاویر SEM نیز براي بررسی مورفولوژي سطح استفاده شد که حصول لایههاي نانوساختار یکنواخت و بدون ترك را نشان داد.
مقدمه
لایههاي نازك نانوساختار از اکسیدهاي پیزوالکتریک نانوساختارهاي بسیار مهمی براي فناوري نوین کشور ما میباشند که براي ساخت قطعات الکترونیک مورد نیاز کشور مانند سنسورهاي مکانیکی، صوتی یا الکترومکانیکی][1 بکاراندازها[2]، سیستمهاي میکرو و نانوالکترومکانیکی [4 , 3]لایههاي قطبیده در الکترونیک میکروویو [5]سنسورهاي پیروالکتریک و پیزوالکتریک و سنسورها و فیلترهاي SAW1 مناسبند.
در میان لایههاي نازك مختلف پیزوالکتریک، لایه هاي نازك محلول جامد زیرکونات تیتانات سرب Pb1.1 - ZrxTi1-x - O3 توجه ویژهاي را معطوف خود نمودهاند زیرا PZT سهم بزرگی از تولید کل لایههاي نازك الکتروسرامیکی پیشرفته را بخود اختصاص داده است که دلیلش خواص فروالکتریک قوي آن - شامل رفتار دي الکتریک، پیزوالکتریک، الکتروتنگشی، پایروالکتریک و الکترواپتیکبویژه - در منطقه فاز مورفوتروپیک یعنی x=0/53 میباشد[7 ,6] لایههاي نازك PZT بهروشهاي متعددي تولید شده اند که در این بین روش سل- ژل به علت تولید لایههایی با همگنی بالا، خستگی کم ، سادگی تولید و همچنین هزینه تولید پایین بسیار مورد توجه قرار گرفتهاست. متداولترین پیشمواد براي تولید لایه نازك نانوساختار PZT به روش سل-ژل مواد آلکوکسایدي میباشد.
لیکن استفاده از این پیشمواد با مشکلات متعددي روبه رو است. اولاً بهعلت محتوي مرطوب و فاصله نفوذ طولانی استفاده از این روش به واکنشهاي هیدرولیز و چگالش پیشمواد خود احتیاج دارد. بنابراین به دماي عملیات حرارتی بیشتر ازCبراي650 ° تولید کریستال تک فاز PZT نیازدارد.[8] این دماي بالا سبب افزایش درصد تبخیر سرب و بهم ریختن استوکیومتري مورد نظر میشود. مشکل وارداتی بودن و بویژه هزینه سنگین تهیه پیشماده زیرکونیوم با کیفیت مناسب نیز سبب محدودیت و دورنماي ضعیف صنعتی شدن مواد پیزوالکتریک در کشور ما گردیده است.
به این منظور در مقاله حاضر ساخت لایه هاي نازك نانوساختار با کیفیت زیرکونات تیتانات سرب به کمک پیش مواد کلریدي و بر پایه الکلهاي چند عاملی بررسی شده است. با توجه به موارد اشاره شده و نیاز کشور به استفاده از پیش مواد کلریدي، که هزینه تولید راقویاً کاهش میدهد، تحقیق حاضر را ضروري میسازد. همچنین کاهش دماي عملیات حرارتی نیز سبب کاهش احتمال کمتر تبخیر سرب و بههم ریختن استوکیومتري نمونه می شود که همواره از چالشهاي تحقیقاتی پژوهشگران بوده است. علاوه بر این محلولهاي بر پایه گلایکل به واکنش هیدرولیز احتیاج ندارند و بنابراین انتظار می رود پایداري بالاتري نسبت به محلول هاي آبی داشته باشند.
علاوه بر این تحقیق حاضر داراي نوآوري مهمی میباشد. چه روش سل-ژل بر پایه عوامل چلاتینگ از جمله اتیلن گلایکل [9]کمتر مورد بررسی قرار گرفته است، در عین حال تنها یک مرجع از پروپیلن گلایکل استفاده نموده است.[8] البته در مرجع مذکور نیز اثر روش بر کیفیت لایه هاي نانوساختار تولید شده مورد بررسی قرار نگرفته است. چنانچه در تحقیق حاضر با عدم اعمال دماي عملیات حرارتی میانی، زمان فرایند و هزینه عملیات حرارتی به مراتب کاهش مییابد. علاوه بر آن در مقایسه با مرجع مذکور زیر لایه طلا به جاي پلاتین به خوبی قابل استفاده است که هزینه تولید را به شدت کاهش میدهد. لایههاي تولید شده یکنواخت و عاري از عیب میباشند.
مواد و روش تحقیق
تمامی مواد شیمیایی مورد استفاده خلوص بالایی داشتند. سه محلول جداگانه از سرب و زیرکونیوم و تیتانیوم توسط انحلال پروپیلن گلایکل PG به صورت زیر بدست آمدند: پروپیلن گلیکول - Propylene glycol - با فرمول شیمیاییC3H8O2 نوعی الکل سه کربنی و دو عاملی میباشد. مقدار 14/21 گرم استات تريهیدراتسرب [Pb - CH3COO - 2.3H2O, %99] به عنوان منبع سرب در PG حل شد مطابق واکنش - . - 1 سپس در دمايآبزدایی110 ° C گردید. محلولهاي بدست آمده به ترتیب PT, PZ, PP نامیده میشوند. سپس محلول استات سرب قطره قطره به محلولهاي Zr وکهTi روي همزن مغناطیسی در حال به هم زده شدن بودند اضافه شد تا محلولهاي PPZو PPT حاصل شوند. اینکار باعث برطرف کردن آنیون هاي-Cl در محلولهاي Ti ,Zr میشود، ضمن اینکه باعث به وجود آمدن رسوب سفید رنگPbCl2 نیز میشود.
درحقیقت استفاده از سرب در این واکنش هم سرب مورد نیاز براي PZT را تامین میکند، و هم به علت واکنش پذیري بسیار زیاد کلر با سرب آنیونهاي Cl- را از محیط جدا میکند. این دو محلول به مدت طولانی روي همزن مغناطیسی قرار گرفتند تا واکنش سرب با کلر تکمیل گردد. هر دو سل سفیدرنگ حاصل به مدت چندین ساعت روي همزن مغناطیسی و تحت اتمسفر نیتروژن قرار گرفتند و سپس PPTو PPZ با یکدیگر ترکیب شدند تا محلول جامد PZT را تشکیل دهند.
محلول حاصل نیز چندین ساعت روي همزن مغناطیسی با دماي خاموش و اتمسفر نیتروژن قرار گرفت . pH محلول 4/4 اندازه گیري شد که به طور قابل ملاحظهاي پایینتر از نقطه ایزوالکتریک یا - point of PZC zero charge - سُل PZT یعنی pH=7/5 میباشد و این خود عاملی در جهت پایداري سل است. محلول حاصل سانتیریفوژ گردید تا رسوب PbCl2 آن تهنشین شود. سل بدستآمده بیرنگ بود و پایداري خوبی - حتی تا یک سال - داشت. براي زدودن آلودگیها و ناخالصیهاي احتمالی با استفاده از ارلن تخلیه از کاغذ صافی عبور داده شد و درون ظروف حاوي اتمسفر خنثی N2 ذخیره گردید.
انجام لایه نشانی
براي انجام لایهنشانی از روش لایه نشانی چرخشی استفاده شد . لامهاي کوارتز تهیه شده، در اندازههاي 5×5 میلیمتر برش زده شد و با طلا با ضخامت تقریبی 100 نانومتر لایهنشانی گردید. سل روي لامی که با سرعت چرخش 3000 rpm در حال چرخش است قرار گرفت. مدت زمان لایهنشانی 25 ثانیه است. لام کوارتز لایه نشانی شده در مجاورت هوا بهمدت 24 ساعت خشک شد. زیرا مشاهده شد که افزایش دما در مرحله خشککردن سبب ترك- خوردن لایه خام تشکیلشده میشود.
براي حصول استحکام بیشتر و حذف اجزاي آلی پس از خشکشدن لایه، آنرا در450 ° C ،در مجاورت هوا عملیات حرارتی کردیم. براي بدست آوردن ساختارهاي چند لایهاي PZT با ضخامت مورد نظر، عملیات لایه- نشانی چندین لایه از پیش ماده PZT روي زیر لایههاي Au/SiO2 تکرار و براي هر لایه نیز عملیات حرارتی در 450°C انجام شد. سازه نهایی تولید شده براي یکساعت در دماي580 ° C کریستالیزه گردید تا ساختار پروسکایت در لایه نانوساختار تهیه- شده متبلور گردد.
نتایج XRD
براي تشخیص تبلور لایه ایجاد شده و همچنین فازهاي بلورین آن، از آنالیزور XRD مدلBRUKER-D8 ADVANCE با استفاده از تابشCuKα استفاده شد. شکل - 1 - الگوي پراش اشعه ایکس نمونههایی حاوي 3 و 6 لایه - با آهنگ لایه نشانی یکسان - را بهصورت PZT/Au/SiO2 نشان میدهد. در این شکلها پیک- هاي مربوط به PZT با فاز پروسکایت در زوایاي 22 و 31/3 درجه منطبق با JCPDS کارت به شماره 33-784 بهخوبی دیده میشود.
علاوه بر قلههاي پروسکایت قلههاي مربوط بهبستره Au با ساختارمکعب وجوه پر - - FCC2 نیز با شدت زیاد در زوایاي 38/2 و 44/5 درجه منطبق با JCPDS کارت با شماره 33-784 در این شکل قابل مشاهده میباشند. همانطور که مشاهده میشود با افزایش تعداد لایهها شدت پیک- هاي PZT نسبت به طلا افزایش مییابد. بر طبق فرمول شررسایز کریستالهاي 36 PZTو 90-80 نانومتر براي شش و سه لایه است. 0.9 که در آن طول موج CuKα و θ زاویه براگ و β پهناي پیک در نیم ارتفاع بیشینه شدت است.
