بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی مورفولوژی سطح لایه های نازک نانو کامپوزیت مس-نقره-پالادیوم می پردازیم که به روش لایه نشانی مغناطیسی DC با استفاده از هدف مس-نقره-پالادیوم در محیط گاز آرگون لایه نشانی شده اند. این نانوکامپوزیت ها در سه ضخامت 26، 34 و 40 نانومتر بر روی زیر لایه های سلیکون رشد داده شدهاند. طیف اشعه X نمونه ها بر تشکیل نانوذرات مس، نقره و پالادیوم با ساختار بلوری FCC دلالت دارد. توپوگرافی سطح نمونه ها با استفاده از تصاویرمیکروسکوپ نیروی اتمی، آنالیز فراکتال و تابع چگالی - PSD - در ابعاد مورد بررسی قرار گرفت.
مقدمه
در سالهای اخیر مطالعات وسیعی در زمینه گسترش روشهایمحاسباتی و تئوری در راستای بررسی میکروساختار لایه هاینازک در ابعاد نانو صورت گرفته است. در این مطالعات هدف یافتن ارتباط بین میکرو ساختار مواد و خواص آنها می باشد،چراکه مشخصه های مورفولوژیکی سطح لایه های نازک نقشیکلیدی در تعیین خواص فیزیکی ، شیمیائی و ترمودینامیکی آنهادارند و به شکل قابل ملاحظه ای می توانند کیفیت سطح لایه هایتولید شده را بهبود بخشند، بنابراین ویژگیها ی ذکر شده در علوممهندسی سطح از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشند . روش های مختلفی برای ایجاد پوشش های فلزی روی سطوح وجود دارد از جمله حمام شیمیایی ، تبخیر حرارتی ، کندوپاش ونشست الکتروشیمیایی.[1]
ما در این مطالعه از روش کندو پاشبرای تولید نانو ساختارها استفاده کردیم که نرخ لایه نشانی قابلقبول ، صافی خوب سطح و چسبندگی خوب به زیر لایه روی یک سطح بزرگ از ویژگی های این روش است. در سالهای اخیر مطالعات زیادی در زمینه بررسی توپوگرافی سطح براساس تصاویر AFM و ژئومتری فراکتال و مولتی فراکتال صورت گرفته است. درحالت کلی سطوح هندسی دارای یکسری بی نظمی و انحراف ازژئومتری ایده آل می باشند که برای توصیف این سطوح از دوروش استفاده می شود: توصیف آماری و توصیف فراکتال2]، 3 و.[4 روشهای فراکتال، زبری سطوح را بر اساس پارامترهای فراکتالتوصیف می کند که مشخصه های مستقل از مقیاس هستند2]و.[4
ژئومتری فراکتال یک توصیف کمی از بی نظمی های ساختاری درمقیاس میکرو و نانو ارائه می دهند4]و.[5 در مقایسه با آنالیزهایآماری، آنالیزهای فراکتال، نوع متفاوتی از مشخصه های سطح را با دقت بالا و زمان محاسباتی پایین ارائه می دهند که منطبق برمورفولوژی سطح است.[2] فراکتال ها پیوسته، مشابه و غیر متمایزهستند و دارای ابعاد غیر صحیح می باشند. بعد فراکتال سطح - - یک پارامتر عددی است که درجه اشغال حجم توپوگرافی، توسطفراکتال ها را مشخص می کند . بعد فراکتال سطح، یک مقدار غیرصحیح در محدوده 23 است که برای سطحصاف ایده آل و معرف یک سطح زبر می باشد که تمام حجم ممکن را اشغال کرده است6] و.[7روشهای متفاوتی برای آنالیز فراکتال سطح معرفی شده است. در این مقاله از روش cube counting استفاده می کنیم.
یکی دیگر از روشهای توصیف مورفولوژی سطح توزیع فرکانسی - تکنیک تابع چگالی - می باشد که با استفاده از سری فوریهاطلاعات منحصر بفردی را در مقایسه با آنالیزهای معمول ارائهمیدهد. اگرچه جذر میانگین مربعی ارتفاع حول مقدار میانگین - RMS - یک عدد آماری مطمئن است که اطلاعات مورفولوژی سطح را در بر دارد اما نمی تواند تمایزی بین قله ها و دره ها قائلگردد در حالی که تابع PSD از دو دیدگاه زبری سطح را بررسی می کند که عبارت است از انحراف ارتفاع از یک صفحه میانگین وفواصل ثابتی که در آن تغییر ارتفاع رخ می دهد.هدف این مطالعهبررسی تاثیر زمان لایه نشانی بر مورفولوژی سطح لایه های نازکمس- نقره-پالادیوم با استفاده از AFM و آنالیز فراکتال و تابع چگالی می باشد، که این نمونه ها به روش لایه نشانی مغناطیسی DC رشد داده شده اند.
جزئیات آزمایشات
دراین گزارش از روش لایه نشانی مغناطیسی جهت ساخت نانوساختار مس - نقره- پالادیم استفاده شد .گاز واکنش دهنده جهت انجام فرآیند لایه نشانی آرگون بود و از تارگت مس-نقره- پالادیمو زیرلایه های سیلیکون به ابعاد 1 2 استفاده شد. در اینسیستم لایه نشانی از دو پمپ روتاری و توربو برای خلا کردنسیستم استفاده گردید. محفظه شامل دو الکترود با مساحت هایمختلف می باشد . الکترود هدف به شکل دایره ای باقطر 9 سانتیمتراست و به زمین متصل است و الکترود دیگر برروی کلاهک و به منبع DC متصل است. فاصله بین آند وکاتد ثابت و 7سانتیمتر می باشد. محفظه با استفاده از دوپمپ روتاری وتوربو تافشار10 5 تور قبل از لایه نشانی خلا شد . فشار محفظه با ورودگاز به فشار 10 2تور رسید و با اعمال توان DC لایه نشانی دردمای اتاق صورت پذیرفت. نمایی از دستگاه لایه نشانی در شکل1نشان داده شده است.
درشکلهای2 تصاویر سه بعدی نمونه ها براساس زمان لایه نشانی و مطابق جدول1 نشان داده شد.با توجه به تصاویر AFM، متوسط اندازه ذرات با افزایش زمانلایه نشانی رو به کاهش می باشد. طیف پراش پرتو ایکس نمونه ها در شکل3 نشان داده شدهاند.همان طور که در اشکال دیده می شود فازهای مس ، نقره و پالادیم واکسیدهای آنها قابل رویت است. نانو ذرات مس ، نقره و پالادیم دارای ساختا بلوری FCC می باشند. مشاهده میشود که با افزایش زمان لایه نشانی به جز افزیش شدت پیک نانو ذرات نقرهدر نمونه ای با ضخامت 40 آنگستروم تغییر قابل توجه دیگری نداریم . این رفتار را می توان به افزایش درجه کریستالیست ذراتنقره نسبت داد .
برای محاسبه متوسط اندازه نانو ذرات از رابطه شرر استفاده کردهایم: رابطه شرر - 1 - در رابطهD 1، ، B و به ترتیب قطر متوسط دانه، طول موج پرتوX، نیم پهنای پیک یا FWHM بر حسب رادیان و زاویه تابش میباشد که نتایج در جدول2 آمده است. نتایج نشان میدهند که باافزایش زمان لایه نشانی، اندازه نانوذرات کاهش مییابد.در شکل4 نمودار توپوگرافی ذرات با استفاده از نتایج AFMنمایش داده شده است. این نمودارها توزیع ذرات را نشان میدهند به گونه ای که ماکزیمم مقدار این نمودار اندازه متوسط ذرات وپهن شدگی نمودار انحراف از شعاع متوسط ذرات را مشخص میکند.
با توجه به شکل با افزایش زمان لایه نشانی عرض منحنیکاهش یافته و یک منحنی گوسی خواهیم داشت به عبارتی تعدادنقاط هم ارتفاع بیشتر شده و توزیع ذرات یکنواخت تر میگردد.همچنین متوسط اندازه ذرات کاهش می یابد که با نتایج حاصل ازXRD همخوانی دارد. شکل5 نمودار لگاریتمی توابع PSD نمونه-ها را نشان میدهد.توابع PSD از دادههای پروفایل سطح AFM به دست میآمده و بااستفاده از رابطهی 2 محاسبه می شوند.[8]که در آن S2 تابع PSD دو بعدی بوده و L2 مساحت ناحیهی اسکن شده است، N تعداد نقاط دادهها در هرخط و در هر ردیف است،Zmn تابع ارتفاع سطح دو بعدی در مکان - m,n - بوده و fx و fy فرکانس فضایی در جهتهای x و y وفاصلهی
