بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با استفاده از تابع گرین نامتعادل به همراه نظریه چگالی، به بررسی شبیهسازی حسگرگاز اکسیژن بر مبنای نانونوار کاربید سیلیسیوم میپردازیم. بدین منظور، یک مولکول گاز اکسیژن با چندین چینش مختلف را برای یافتن بهترین موقعیت نشست گاز مورد بررسی قرار میدهیم. در تمام موارد، نتایج نشانگر تمایل اتمهای اکسیژن به اشغال اتمهای نزدیک به لبه میباشد.
علاوه بر این، ما نشان دادهایم که اکسیژن میتواند مشخصه ولتاژB جریان ساختار کاربید سیلیسیوم زیکزاگی را تغییر دهد و باعث ایجاد نوسانات جدید مقاومتی گردد. این تناوب به علت ناپیوستگی در ترکیبی از اوربیتالهای در طول نانونوار کاربید سیلیسیوم ایجاد شده است. این مدل، چینش ناپیوستگی را تغییر داده و باعث بروز نوسانات بیشتری در پاسخ جریانBولتاژ میگردد. در ولتاژ بایاس کم نیز، تغییرات مشابه دیده شد. نتایج ما نشان میدهد که در چیدمان نانونوار کاربید سیلیسیوم زیکزاگی، وضعیت لبه حالت اصلی برای انتقال الکترون از یک الکترود به الکترود دیگر میباشد.
-1 مقدمه
نیاز به حسگرهای گازی کارا در دماهای بالا در صنایعی هم چون نیروگاههای اتمی، هوا فضا - تشخیص تشعشعات - ، تشخیص نشت سوخت و تشخیص آتش و کنترل گاز اگزوز در خودروها به دلیل اهمیت آن همواره مورد توجه و ضروری بوده است. از میان انواع مختلف حسگرها، حسگر گاز اکسیژن عمدتا برای کنترل فرآیندهای سوختی - نسبت هوا به سوخت - در موتور اتومبیل و در کورههای حرارتی صنعتی، برای آشکارسازی گازهای مورد نظر در محیطهایی مانند معادن زیرزمینی، میدانهای نفتی استفاده می گردد .[1]
این حسگرها باید سرعت بالایی در پاسخ به گاز اکسیژن داشته باشند و همچنین در دمای بالا، حساسیت بالایی از خود نشان دهند. امروزه بیشتر قطعات حسگرهای گازی مبتنی بر نیمه رساناها هستند. از این میان، حسگرهای مبتنی بر سیلیسیوم، عملکرد قابل اطمینانی را در ازای قیمت پایین ارائه میدهند .[2] با این وجود، یکی از مهمترین محدودیت- های این نوع حسگرهای گازی مبتنی بر سیلیسیوم، عدم کارایی آنها در دماهای بالای 200 درجه سانتی گراد است که به دلیل گاف انرژی کوتاه سیلیسیوم پدید میآید .[3] در میان نیمه رساناهای مرکب، کاربید سیلیسیوم همواره به عنوان یکی از ادوات حساس به گاز مطرح بوده است .[4]
کاربید سیلیسیوم مادهی نیمههادی دارای خواص برجستهای از جمله شکاف باند گسترده 3/02 - الکترون ولت - ، هدایت حرارتی بالا، تجمع حامل ذاتی کم، استقامت مکانیکی شگفتانگیز، میدان شکست بزرگ و سرعت بالای رانش الکترون در اشباع، میباشد. از این رو، کاربید سیلیسیوم در کاربردهایی که نیاز به توان بالا دارند و در دستگاههای الکترونیکی فرکانس بالا کاربرد فراوان دارد .[5]
علاوه بر این، با توجه به پیوندهای قوی شیمیایی و ثبات و سختی شبکه [6]، ساختار کاربید سیلیسیوم میتواند در دماهای بالا و محیطهای خشن که در آن نیمههادی رایجتر مانند سیلیسیوم نمیتواند بکار رود، استفاده گردد .[7] بررسیها نشان میدهد که میتوان از کاربید سیلیسیوم به عنوان یک بستر میزبان برای ساخت زیرلایهی نازک اتمی در درجه حرارت بالا استفاده نمود. از این رو و با توجه به کاربردهای بالقوه کاربید سیلیسیوم در چندین سال اخیر، خواص الکترونی و ساختاری سطوح کاربید سیلیسیوم در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است.
از معایب حسگرهای گازی زمان پاسخگویی بالا میباشد، که با استفاده از زیرلایههایی با ساختارهای نانو در مقایسه با ساختارهای معمول میتوان به زمان پاسخگویی بهتری دست یافت. این لایههای نیمه رسانا بی شتر از تراکم بالایی از تهیجهای اکسیژن در شبکه بلوری در داخل و پیوندهای آزاد در سطح خارجی خود برخوردارند. وجود این قبیل پیوندهای آزاد که می تواند در جذب گازهای محیط اطراف خود فعالانه شرکت کنند، بسته به تحویل پس از پیوند مولکولهای جذب شده - دریافت و یا تحویل الکترون آزاد به ماده - امکان ایجاد تغییر مقاومت الکتریکی لایه را به همراه دارد .[1]
با توجه به مزایای فوق، میتوان انتظار دا شت که سن سورهای مبتنی بر سیلی سیوم، با توجه به در د سترس بودن و ارزانی ماده اولیه آن، برای ساخت این حسگرها مناسب باشد. با این وجود، حسگرهای مبتنی بر نیمه هادی های ترکیبی، مزایایی نظیر ح سا سیت بی شتر، زمان پا سخ کمتر و محدوده دمایی بالاتر از خود ن شان میدهند .[8] مطالعات اخیر، همچنین نشان میدهد که از میان نیمه هادیهای ترکیبی، ساختارهای متخلخل یا موادی با لایههای فلز مجزا که روی هم انباشته میشوند، موجب افزایش حساسیت حسگرها می گردند .[8]
با توجه به مزایای ا شاره شده، در این مقاله بر آن شدیم تا از کاربید سیلی سیوم تک لایه به عنوان یک نیمه هادی ترکیبی با ساختار متخلخل استفاده کنیم که علاوه بر ویژگیهای خاصی که در قبل به آن اشاره نمودیم دارای خواص سیلیسیوم و کربن نیز میباشد.[9] دو آرایش اصلی نانونوار کاربید سیلیسیوم در طبیعت عبارتند از زیگزاگ و دسته صندلی. با توجه به این که در آرایش زیگزاگ، حالتهای انرژی لبههای نانونوار، موجب ایجاد خواص فلزی در این مواد میشوند، استفاده از آنها برای ساخت ح سگرهای گازی بی شتر از آرایش د سته صندلی مطلوب می با شد.
با این وجود و با توجه به خواص الکترونیکی مطلوب که در بخش های قبل به آنها اشاره شد، در زمینه استفاده از این ساختار در ساخت حسگر گاز اکسیژن مطالعات چندانی انجام نشده ا ست. در این مقاله سعی می شود پس از برر سی خواص الکترونیکی نانو نوارهای کاربید سیلی سیوم با آرایش زیگزاگ، مزایای ا ستفاده از این مواد به عنوان ح سگر گاز اک سیژن به دقت شبیه سازی و تحلیل گردد.
در مقاله حا ضر از روش تابع غیر تعادلی گرین در بسته نرم افزاری Atomistix Toolkit 13.2 - ATK 13.2 - محصول شرکت کوآنتوم وایز برای مطالعه انتقال حاملها در نانونوار کاربید سیلیسیوم استفاده شده است. مطالب ارائه شده در این مقاله به صورت زیر تتظیم گردیده است. در بخش دوم، مدل مورد استفاده و روش شبیه سازی معرفی میگردد.
در بخش سوم، اثرات مولکول گاز اکسیژن بر روی خواص الکترونیکی نانو نوارهای کاربید سیلیسیوم با آرایش زیگزاگ بررسی و حساسیت ساختار معرفی شده در مجاورت گاز اکسیژن تحلیل میگردد. در بخش 4، نتیجه گیری این مقاله ارائه میشود. شکل :1 نمونهای از یک نانونوار کاربید سیلیسیوم با لبههای زیگزاگ و عرض . n = 12 توپهای کرم رنگ، اتم های سیلیسیوم، توپهای خاکستری، اتمهای کربن و توپهای سفید رنگ اتمهای هیدروژن میباشند.
-2 معرفی مدل مورد استفاده و روش شبیه سازی
شکل 1، نمونهای از یک نانونوار کاربید سیلی سیوم با لبههای زیگزاگ و عرض n = 12 را ن شان میدهد. همان گونه که در این شکل ن شان داده شده ا ست، کاربید سیلی سیوم مادهای کری ستالی، تخت و تک لایه که سلول واحد آن برای نمونه نشان داده شده، متشکل از 3 اتم کربن و 3 اتم سیلیسیوم است. این اتمها در یک شبکهی دو بعدی و کندو مانند به هم متصل شدهاند و دارای ضخامتی به اندازهی یک اتم با ویژگیهای منحصر به فرد میباشند. در یک صفحهی کاربید سیلیسیوم، هر اتم کربن با سه اتم سیلیسیوم دیگر پیوند داده شده است. زوایای بین آنها با یکدیگر مساوی و برابر با 120 است .[10]
