بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق از روش جدید بمباران هیدروژنی لایه هاي نازك براي تولید نانوذرات آلیاژي نقره- مس استفاده شده است. به بررسی و مقایسه شرایط مختلف رشد نمونه ها از جمله دما، ولتاژ، جریان و زمان بمباران و تأثیر آنها بر روي طیف اپتیکی نانوذرات پرداخته شده است. در این روش، نانوذرات آلیاژي در دماي 250˚C که خیلی پایینتر از نقطه ذوب عناصر تشکیل دهندة شان - نقره: 849 ، مس: 1083 درجه سلزیوس - است رشد داده شده اند. از میکروسکوپ نیروي اتمی براي مطالعه سطح نمونه ها استفاده شده است.
مقدمه
نانوذرات فلزي به دلیل داشتن خواص ویژه و کاربرد در زمینه هاي مختلف نظیر ساخت حسگرها و کاتالیستها وغیره در سالهاي اخیر مورد توجه قرار گرفتهاند. در این میان، توجه ویژهاي به نانوذرات نقره و مس [1] به عنوان نامزدي مناسب در کاربردهاي اپتیکی و نانوفوتونیک شده است. تاکنون روشهاي متنوعی براي تولید نانوذرات به کار برده شده است نظیرروشهاي سنتزالکتروشیمیایی[2] ، کندوپاش [3] RF ، کاشت یون منفی.[4] از معایب این روشها، می توان به وجود ناخالصی در ذرات و اتلاف انرژي به دلیل استفاده از دماي بالا اشاره کرد استفاده از روشهاي تولید ذرات دردماي پایین با خلوص بالا می تواند در این زمینه مفید واقع شود. ما با روشی جدید نانوذرات آلیاژي در دماهایی خیلی پایینتر از نقطه ذوبشان را بر روي زیر لایه شیشه تولید کرده ایم که معایب روشهاي بالا را ندارد. خواص اپتیکی نانوذرات فلزي ناشی از برانگیختگی پلاسمون سطحی آنها است.
روش آزمایش
در این تحقیق نانوذرات آلیاژ نقره/ مس برروي زیر لایه شیشه به روش بمباران هیدروژنی تولید شده اند. براي استفاده از زیر لایه شیشه ابتدا لامهاي شیشه اي در محلول RCA - آب اکسیژنه / آمونیاك/ آب دیونیزه به نسبت حجمی - 5:1:1 در دماي 70 ˚C و به مدت 15 دقیقه تمیز و سپس خشک شدند. لایه نشانی آلیاژ نقره/ مس با روش تبخیر در خلاء و با ورق نقره ومس با خلوص %99/99 انجام گردید.
مقدار نقره و مس تبخیر شده براي ضخامتمثلاً 40 نانومتري به ترتیب 0/0075 و0/0063 گرم بود و فشار اولیه 4×10-5 - 5×10-6 تور و زمان کل تبخیر3-6 دقیقه در دستگاه لایه نشانی تبخیر در خلاء دو بوتهاي انجام گردید که مادة نقره و مس هرکدام بر روي یک بوته جداگانه به طور همزمان تبخیر شده و به صورت لایه آلیاژي روي زیر لایه شیشه نشستهاند. لایه هاي به دست آمده در دستگاه PECVD جهت رشد نانوذرات قرار گرفتند.
پلاسما در فاصله بین دو الکترود آهنی که به اختلاف پتانسیل مناسب وصل می گردد تشکیل می شود. به دلیل نارسانا بودن شیشه و جهت جلوگیري از دفع پلاسما - ناشی از تجمع بار بر روي شیشه - باید ارتباط الکتریکی لایه والکترود به نحوي برقرار می شد که به این منظور از فویل آلومینیومی استفاده شد. نمونه روي الکترود پایینی که به ولتاژ منفی متصل است، قرار داده می شود و بعد از ایجاد خلاء مناسب - حدود 0/02 تور - هیدروژن وارد محفظه شده و با اعمال ولتاژ ، پلاسما روشن می شود که شرایط آماده سازي به صورت زیر می باشد: زمان بمباران 15 دقیقه ، دماي بمباران 250˚C ، جریان عبوري 1 mA ، شار هیدروژن عبوري 100 m lit/min و ولتاژ اعمال شده260-320 ولت.
نتایج آزمایش آلیاژ - - Cu: %50/ Ag: %50
در این آزمایشها مشاهده شد که شرایط مختلف رشد ، باعث ایجاد نانوذرات با اندازه هاي مختلف و در نتیجه تفاوت در طیف جذبی آنها شده است کهذیلاً به بررسی این نتایج می پردازیم.
یکی از پارامترهاي تأثیرگذار در این روش تغییر ولتاژ یا به نوعی تغییر توان پلاسما می باشد. شکل 1 تصاویر AFM سه نمونه را نشان می دهد که در دما و جریان و زمان یکسان ، ولی با ولتاژهاي مختلف بمباران شده اند.
اندازة متوسط تقریبی نانوذرات در سه تصویر به ترتیب در حدود 50 ، 40 و 30 نانومتر بر آورد شده است. دیده می شود که با افزایش ولتاژ اندازة نانوذرات کوچکتر می شود. در شکل 2 طیف جذبی همین سه نمونه آورده شده است. دیده می شود که افزایش ولتاژ منجر به انتقال آبی در طیف جذب می شود که ناشی از کوچکتر بودن ذرات در نمونه اي است که در ولتاژ بیشتري بمباران شده است.
نتایج آزمایش آلیاژ - - Cu: %90/ Ag: %10
این بار درصد وزنی نقره و مس در لایه نشانی را تغییر می دهیم: مقدار نقره و مس تبخیرشده براي ضخامت 100nmآلیاژ، به ترتیب 0/004 و 0/0290گرم که در فشار اولیه 4×10-5 - 5×10-6 تور و زمان کل تبخیر مثل گذشته 3-6 دقیقه ، هر کدام از ماده ها بر روي بوته جداگانه ، تبخیر شده اند. یکی از پارامترهاي دیگر تأثیرگذار در این روش تغییر توان پلاسما می باشد. در شکل 3 طیف جذبی چهار نمونه که در ولتاژ، دما و زمان یکسان ولی جریان اعمال شده متفاوت بمباران شدهاند مقایسه شده است. این نتایج با مقالات دیگر همخوانی دارد.
شکل.3 طیف جذبی چهار نمونه نانو ذرات آلیاژي %90 مس و %10 نقره که در دما، زمان و ولتاژ یکسان ولی با جریانهاي عبوري متفاوتی بمباران شده اند. این نمونه ها با ضخامت 100 nm به مدت 30 دقیقه با ولتاژ 530 ولت در دماي 250˚C بمباران شدهاند. همانطور که در شکل دیده می شود افزایش جریان منجر به انتقال آبی در طیف شده و شدت قله طیف جذبی نیز کمتر شده است، که انتقال آبی ناشی از کوچکتر بودن ذرات در نمونه اي است که در جریان عبوري بیشتري بمباران شده است و کاهش شدت قله طیف جذبی ناشی از کاهش ضخامت لایه در اثر افزایش جریان عبوري می باشد.
علاوه بر جریان، دماي بمباران نیز روي نتایجتأثیر طیف ها می گذارد. شکل 4 مربوط به نمونه هایی است که در مدت زمان 15 دقیقه و ولتاژ 530 ولت و جریان عبوري 30 mA در دماي 210-370˚C بمباران شده اند. شکل 4 نشان می دهد نمونه اي که در دماي 370˚C بمباران شده، داراي شدت قله کمتري نسبت به نمونه اي که در دماي 210˚C بمباران شده است، می باشد. شکل.4 طیف جذبی پنج نمونه نانو ذرات آلیاژي %90 مس نقرهو%10 که در زمان، جریان و ولتاژ یکسان ولی در دماهاي متفاوتی بمباران شده اند.
نتایج آزمایش آلیاژ - - Cu: %20/ Ag: %80
بار دیگر با تغییر مقدار وزن نقره و مس در لایهنشانی میزان درصدآنها را در آلیاژ تغییر میدهیم بدین صورت: مقدار نقرة تبخیرشده براي ضخامت 80 nm ، 0/0300 گرم و مقدار مس تبخیرشده براي ضخامت 20 nm ، 0/0060 گرم میباشد که در فشار اولیه 4×10-5 - 5×10-6 تور و زمان کل تبخیر 3-6 دقیقه ، هرکدام از مادهها بر روي بوته جداگانه تبخیر شدهاند. در آزمایشهاي اول، دماي بمباران 220-370˚C و ولتاژ اعمال شده 530 ولت و جریان عبوري mAبوده 35 و نمونه ها به مدت 10-30 دقیقه بمبارانشکلشده اند. 5 چند نمونه تصاویر AFM از نمونههاي نانوذرات آلیاژيAg:%80 ،Cu:%20 را نشان می دهد. تصویر سمت راستی در دماي 270˚C و تصویر سمت چپی در دماي 370˚C بمباران شده است. که بیانگر این مطلب است که افزایش دماي بمباران سبب بزرگترشدن اندازه نانوذرات می شود.
اندازة تقریبی نانوذرات 50 nm است. مشخصات سوزنی AFMبه گونه اي است که قدرت تفکیک آن بهتر از 20nm است. است که نشان میدهد افزایش دما سبب بزرگترشدن اندازة نانوذرات می شود. در شکل 6 طیف جذبی چهار نمونه که در ولتاژ، جریان، زمان و شار وارد به محفظه یکسان ولی در دماي متفاوتی بمباران شدهاند مقایسه شده است که نشان میدهد با افزایش دما شدت قله طیف جذبی کاهش می یابد. در سري آزمایشهاي دوم پارامتر مؤثر دیگر که مدت زمان بمباران است تست شد. شکل7 مربوط به نمونه هائی است که در دماي250 ˚C، ولتاژ 530 ولت، جریان عبوري 35 mA به مدت زمان 10-30 دقیقه بمباران شدهاند. مقایسه نشان می دهد که زمان بمباران طولانی تر منجر به کاهش شدت قله طیف جذبی می شود.
