بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش ،ابتدا لایه هاي نازك نیکل به روش RF اسپاترینگ بر سطح زیر لایه لام آزمایشگاهی تشکیل گردید و سپس لایه هاي اسپاتر شده، در دماهاي مختلف در محیط اکسیژن ودر فشار اتمسفر پخت شدند. براساس تحلیل تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - - SEM ساختارلایه هاي اکسیدNiO به صورت نانومیله هایی به قطر 30 تا 40 نانومترتعیین شد.با بررسی خواص اپتیکی ، گاف انرژي لایه هاي نازك NiO بین3/7-3/8 eV بدست آمد ؛همچنین سطح نمونه پخت نشده ، با زاویه تماس 110ºاز حالت آب گریزي پس از پخت در دماي300 º C به حالت آب دوستی با زاویه تماس 33º تبدیل یافت.
مقدمه
استفاده از ساختارهاي اکسید نیکل به دلیل خواص ویژه آن در سال هاي اخیرمورد توجه بسیاري ازمحققین قرار گرفته است.از طرف دیگر، با توجه به رشد سریع وپایداري شیمیایی،این لایه درکاربردهاي مختلف مورد استفاده قرار گرفته است؛برخی از این کاربردها عبارتند از: تبدیل نور به جریان[1] ، لایه هاي فرو مغناطیسی[2]، سنسورهاي گازي ]٣[، خازن هاي الکتروشیمیایی[4]، الکترود مثبت باطري [5]،لایه هاي الکتروکرومیک[6]، سنسورهاي مغناطیسی.[7]اکسید نیکل یک نیمه رساناي نوع p با ساختار نمک طعام گونه و نیمه شفاف به رنگ سبز روشن است که گاف انرژي آن در محدوده 3/4-4 eV گزارش شده است[8]، لایه نازك اکسید نیکل را می توان به روش هاي مختلف فیزیکی وشیمیایی تهیه نمود.از روشهاي فیزیکی می توان به موارد اسپاترینگ[9]، تبخیر حرارتی در خلا[10]، پرتو الکترونی[11] واز روشهاي شیمیایی می توان به اکسیداسیون حرارتی[12]، تبخیر شیمیایی[13] و سل ژل[14]اشاره کرد.
در میان همه این روش ها، روش اسپاترینگ به دلایل نرخ لایه نشانی بالا - کاهش زمان لایه نشانی - ،یکنواختی در لایه ایجاد شده درسطح زیرلایه وکنترل دقیق ترکیب شیمیایی لایه، مورد توجه محققین قرارگرفته است. درروش اسپاترینگ، خواص لایه تشکیل شده به پارامترهایی مثل دماي زیرلایه، فشار جزئی اکسیژن، توان تخلیه اسپاترینگ، فشار محیط گازوهمچنین نوع زیرلایه، بستگی دارد. دراین تحقیق، با استفاده از دستگاه اسپاترینگ مغناطیسی رادیوفرکانسRF،ابتدا لایه نازکی از نیکل بر روي زیرلایه لام آزمایشگاهی، لایه نشانی می شودوسپس در محیط اکسیژن پخت می گردد.دما پارامتري است که در انجام این تحقیق مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است ،به نحوي که ابتدا نمونه هاي لایه نشانی شده در شرایط یکسان تهیه گردید وسپس در دماهاي مختلف، پخت شدند.در ادامه خواص اپتیکی و آب دوستی این نمونه ها بررسی ومقایسه می گردند .
روش تجربی
ابتدا لام هاي شیشه اي که قرار است به عنوان زیرلایه براي لایه نشانی به کار رود را با آب و صابون شسته و به ترتیب به مدت ده دقیقه در بشر حاوي استون در دستگاه اولتراسونیک قرارداده و بعد از اتمام این مرحله پانزده دقیقه در بشر حاوي متانول در دستگاه اولتراسونیک قرار می دهیم.لام هاي تمییز شده را در داخل نگهدارنده زیرلایه قرار داده و در داخل دستگاه اسپاترینگ در فاصله هفت سانتی متري از سطح ماده هدف - دیسک نیکل به قطر 2 اینچ و ضخامت 2 میلی متر وبا خلوص - 99/99% قرار می دهیم؛ توسط ترکیب سري دو پمپ روتاري و دیفیوژن، محفظه لایه نشانی تا فشار زمینه ×10-6 Torr۴ تخلیه می شود.
سپس این محفظه تا فشار ×10- 2 Torr۴ از گاز آرگون با خلوص 99/99% پر می شود. با اعمال توان 180W به سطح ماده هدف ،عمل اسپاترینگ اتم هاي نیکل در اثر برخورد یون هاي آرگون به سطح ماده هدف شروع می شود. براي جلوگیري از نشستن آلودگی هاي روي سطح ماده هدف بر روي زیرلایه ،عمل اسپاترینگ را به مدت ده دقیقه با پوششی به نام شاتر که جلوي زیرلایه را گرفته است، انجام گردید و سپس با چرخش شاتر عمل لایه نشانی به مدت 90 دقیقه انجام شد. لازم به ذکر است که بازتاب توان اعمالیRF حدود اندازه گیري گردید.پس ازاتمام لایه نشانی،نمونه هاي تهیه شده را در کوره لوله اي در محیط اکسیژن خالص در دماهاي مختلف100º Cو300º Cو 500º C به مدت 4 ساعت پخت گردید؛ شیب دمایی براي رسیدن به دماي مورد نظرحدود براي کلیه نمونه ها استفاده شد، در پایان نمونه هاي پخت شده به تدریج در دماي اتاق سرد شدند.
نتایج وبحث
براساس تحلیل تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - - SEMمشخص گردیدکه ساختار لایه هاي نازك پخت شده بصورت نانومیله بوده - شکل - 1و قطر آنها در حدود 30 تا 40 نانو متر اندازه گیري شد. همچنین هنگامی که لایه ها در دماي 500º C پخت می شود، نانومیله هاي تشکیل شده یکنواخت تر شده و فاصله بین میله ها به وضوح افزایش یافته است؛ به عبارت دیگر نسبت سطح به حجم نمونه ها زیاد شده است.براي محاسبه انرژي گاف این نانو میله ها از روش اپتیکی رابطه - 1 - استفاده شد: [15 ]در این رابطه A یک ثابت ، Eg انرژي گاف اپتیکی، α ضریب جذب وhν انرژي فوتون فرودي می باشد. مقدار n به نوع انتقال الکترونی که باعث جذب فوتون شده است بستگی دارد.
مقدار nبراي انتقال مستقیم الکترون گزارش شده است [16].منحنی تغییرات - αhν - 2 بر حسب hν خطی است. با رسم خط مماس بر این منحنی و بدست آوردن محل تقاطع با محو hν مقدارانرژي گاف را می توان، بدست آورد - شکل. - 2این محاسبات براي سه نمونه که در دماهاي º C١٠٠، 300ºCو 500º C پخت شده است صورت گرفت ومقدار انرژي گاف براي این نمونه ها به ترتیب 3/87±0/01eV و 3/85±0/01eV و3/77±0/01eV بدست آمد. نتایج حاکی از آن است که با افزایش دماي پخت، انرژي گاف کاهش یافته است.به منظور بررسی خواص آب دوستی نمونه ها، از روش متداول اندازه گیري زاویه تماس - - θ سطح نمونه با قطره آب استفاده گردید. شکل - 3 - منحنی تغییرات زاویه تماس اندازه گیري شده را بر حسب دماي پخت نشان می دهد.
لازم به ذکر است در این منحنی نیکل بدون پخت داراي زاویه تماس 110 درجه - آب گریز - در دماي اتاق می باشد .با بررسی زاویه تماس قطره آب برروي سطح نمونه پخت شده مشاهده شد که زاویه تماس تا دماي º C١٠٠تقریبا ثابت می ماند ونمونه به صورت سطح آب گریز رفتار می نماید. اما با افزایشدماي پخت تا 300º C ، سطح نمونه آب دوست شده و زاویه تماس به حدود 33 º کاهش یافت. در نهایت با رسیدن به دمايº C ٠٠5 همچنان سطح آب دوست باقی می ماند. بااستفاده از معادله یانگ - 2 - و داشتن نسبت سطح واقعی تماس به سطح ظاهري تماس - - r که توسط آنالیز آماري میکروسکوپ نیروي اتمی - AFM - بدست می آید، می توان زاویه تماس را بدست آورد و
