فروشگاه اینترنتی فایل ها این وبلاگ در زمینه فروش انواع مختلف فایل های آموزشی تحصیلی و دانشگاهی فعالیت می نماید

بررسی نقش pH نهایی محلول بر فرآیند رشد و آرایش لایه های نانو ساختار نیکل سلنیدWORD

 چکیده:

در این پایان نامه خواص نوری و مشخصه نگاری لایه­های نازک نیمرسانای نانو بلور NiSeمورد برسی قرار گرفته است. لايه­هاي نازك نانو ذرات سلنید نیکل بر روي زير لايه­هاي شيشه­اي با استفاده از روش رسوب­گيري از حمام شيميايي رشد داده شده­. با كنترل پارامترهاي ساخت مي­توان اندازه نانو ذرات را كاهش داد. با كاهش اندازه نانو ذرات، گاف انرژي نانو ذرات به علت اثر محدوديت كوانتومي به سمت انرژي­هاي بالا انتقال یافته است. با استفاده از طيف پراش اشعه ايكس و روش­هاي اسپكتروسكوپي، ساختار بلوري و خواص اپتيكي لايه­هاي نازك اندازه­گيري شده است. همچنین ویژگی شکل شناسی نمونه­ها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفته است.

فصل اول

کلیات.. 1

1-1) نانو چیست؟..... 2

1-2) مقدمه ای بر لایه های نازک.. 4

1-3) تاریخچه لایه های نازک.. 4

1-4) ویژگی های لایه های نازک.. 4

1-5) روشهای ساخت لایه های نازک..... 5

1-5-1) روشهای فیزیکی.. 5

1-5-1-1) رسوب گذاری فیزیکی از فاز بخار...... 5

1-5-1-2) فرایند های تبخیر..... 5

1-5-1-3) بر­آرایی باریکه مولکولی... 6

1-5-1-4) رسوبگذاری با بهره گیری از پرتو یونی6

1-5-1-5) فرایند کند و پاش................... 7

1-5-2)روشهای شیمیایی........................ 7

1-5-2-1) رسوب دهی شیمیایی از بخار........... 7

1-5-2-2) رسوبگیری از حمام شیمیایی........... 8

1-6) مشخصه یابی نمونه ها.................... 8

1-6-1) طیف سنجی پراش اشعه ایکس............. 8

1-6-1-1)پراش پرتوx.......................... 9

1-6-1-2) روشهای پراش پرتوx.................. 10

1-6-2) میکروسکوپ الکترونی عبوری((TEM......... 11

1-6-3) میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)......... 11

1-7) خواص تابع اندازه نانو ذرات............. 12

1-8) نقاط کوانتومی.......................... 12

1-9) گاف انرژی.............................. 13

1-10) گاف انرژی در نیمرساناها............... 14

 1-11) اکسیتون در نانو ذرات..................

15-1-12)نیمرسانا با گاف انرژی مستقیم و غیر مستقیم............... 17-1-13)

شعاع نانو ذرات........................................ 19-1-14)

ذره در جعبه کوانتومی.................................... 19

فصل دوم

مرور منابع.................................. 22

2-1)مقدمه................................... 23

2-2) مروری بر مقاله های ساخت و مشخصه نگاری نیکل23

2-2-1) بررسی مقاله اول...................... 23

2-1-2) بررسی مقاله دوم...................... 26

فصل سوم

مواد و روش ها............................... 32

3-1) مقدمه.................................. 33

3-2)تاریخچه رسوبگیری شیمیایی................ 33

3-3) رسوبگیری شیمیایی چیست؟................. 33

3-4) چه موادی می توانند به روش رسوبگیری شیمیایی رسوبگیری شوند؟............................................ 34

3-4) تشکیل کالکوژن های یونی................. 34

3-5) لایه نشانی حمام شیمیایی................. 35

3-5) مزایا و معایب لایه نشانی به روش رسوب حمام شیمیایی 36

3-6) مواد استفاده شده....................... 37

3-7) دستگاه های مورد استفاده................ 37

3-8) شستن زیر لایه........................... 38

3-9) تهیه محلول نیترات نیکل................. 39

3-10) تهیه محلول سدیم سلنو سولفات........... 40

3-11) تهیه محلول نهایی...................... 42

3-12) مشخصه یابی نمونه ها................... 44

 

3-13) اندازه گیری گاف انرژی نواری........... 44

3-14) تحلیل طرح پراش پرتوx.................. 44

فصل چهارم

بحث و نتیجه گیری............................ 45

4-1) مقدمه.................................. 46

4-2)بررسی خواص فیزیکی لایه های نازک.NiSe....... 46

4-2-1) پراش اشعه ایکس....................... 46

4-2-2) میکروسکوپ الکترونی روبشی............. 49

4-3) بررسی خواص نوری لایه نازک سلنید نیکل.... 54

4-3-1) گاف انرژی............................ 55

4-3-2) تعیین گاف انرژی...................... 55

4-4) بحث و نتیجه گیری....................... 61

4-5)پیشنهادات............................... 62

منابع و مراجع

منابع ومراجع................................ 63

 فصل اول

جدول1-1) معرفی برخی خصوصیات از چند نیم­رسانای مهم16

فصل دوم

جدول 2-1) داده­های پراش پرتو ایکس فیلم هایNiSو NiSe 25

فصل سوم

جدول3-1)مشخصات پودر و محلول اولیه جهت تهیه محلول نیترات نیکل39

جدول 3-2) مواد اولیه برای تهیه سدیم سلنوسولفات 41

فصل چهارم

جدول4-1 گاف انرژی لایه های نازک NiSe در سه pH متفاوت 56

فصل اول

شكل1-1)تصويرهندسيدوربينپودريدباي – شرر.... 10

شکل1-2) روند حبس حاملهای بار در نانو مواد... 13

شکل1-3) گاف نواری نیمرسانای گاف مستقیم وگاف غیر مستقیم 17

شکل1-4) ترازهای انرژی گسسته شده و گاف انرژی افزایش یافته نانو ذرات........................................ 21

فصل دوم

شکل2-1)طیف جذب اپتیکی فیلم نازک NiS،(a) فیلم نازک NiSe رسوب­گیری شده بر روی فلوراید کلسیم در دمای اتاق(b) .... 26

شکل2-2) نمودارهای جذب نیکل سلنید تهیه شده با: روش اول(a)- روش دوم(b)

روش سوم(c).................................. 27

شکل2-3 نمودار XRD نانو ذرات نیکل سلنید تهیه شده با روش اول(a)- روش دوم

(b)-روش سوم(c).............................. 29

شکل2-4) تصویر نانو ذرات سلنید نیکل تهیه شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM)) است با روش اول.................. 30

شکل2-5) تصویر نانو ذرات سلنید نیکل تهیه شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به روشدوم...................... 30

شکل2-6) تصویر نانو ذرات سلنید نیکل تهیه شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به روشسوم...................... 31

فصل سوم

شکل3-1) رسوبگیری به روش حمام شیمیایی........ 36

شکل3-2)دستگاه التراسونیک.................... 38

شکل3-3)تغیر رنگ نیکل با افزودن تدریجی آمونیاک 40

شکل(3-4) تهیه محلول سلنو سولفیت............. 41

شکل3-5) pH متر دیجیتالی..................... 42

 

شکل 3- 6)رنگ محلول نهایی در pHهای متفاوت.... 43

شکل3-7) لایه نازک نیکل سلنید درpHهای متفاوت.. 43

فصل چهارم

شکل4-1)نمودارXRDنانو ذره سلنید نیکل با47/11=pH48

شکل4-2) نمودارXRDنانو ذره سلنید نیکل با12/12=pH 48

شکل4-3) نمودارXRDنانو ذره سلنید نیکل با38/12=pH 49

شکل 4-4) تصویرSEM نمونه در37/11=pH........... 51

شکل 4-5) تصویرSEM نمونه در12/12=pH................ 53

شکل 4-6) تصویرSEM نمونه در38/12= pH........... 54

شکل 4-7 )نمودار طیف جذبی سلنید نیکل در دمایC˚35 با سه pH متفاوت 55

شکل 4-8 )گاف انرژی در47/11=pHو زمان رسوبگیری14 ساعته 57

شکل 4-9)گاف انرژی در12/12=pH و زمان رسوبگیری14 ساعته 57

شکل4-10) گاف انرژی در38/12=pHو زمان رسوبگیری14 ساعته 58

شکل4-11) گاف انرژی در47/11=pHو زمان رسوبگیری38 ساعته 58

شکل4-12) گاف انرژی در12/12=pH و زمان رسوبگیری38ساعته 59

شکل4-13) گاف انرژی در38/12=pHو زمان رسوبگیری38 ساعته 59

شکل4-14) گاف انرژی در47/11=pHو زمان رسوبگیری62 ساعته 60

شکل4-15) گاف انرژی در12/12=pH و زمان رسوبگیری62ساعته 60

شکل4-16) گاف انرژی در38/12=pHو زمان رسوبگیری62 ساعته 61

 فصل اول

کلیات

 1-1)نانو چیست؟

پیشوند نانو در کلمه­ی نانو فناوری به معنای یک بیلیونیوم (^9- 10) است. نانو فناوری به ساختارهای گوناگون موادی می­پردازد که دارای ابعادی در حدود یک بیلیونیم متر می­باشد. در حالی که کلمه­ نانو فناوری نسبتاً جدید است، وجود مجموعه­های فعال و ساختارهایی با ابعاد نانو متری تازگی ندارند و در حقیقت چنین ساختارهایی به اندازه طول عمر حیات در روی زمین وجود داشته­اند. آبالون[1] که نوعی نرم تن یا حلزون است، پوسته­های صدفی بسیار سختی را می­سازد که دارای رویه­های درونی با نمای قوس و قزحی می­باشد. چنین رویه­هایی از آجرهای سختی از کلسیم کربنات با ابعاد نانو درست شده­اند که به کمک چسبی مرکب از مخلوطی از یک کربوهیدرات و پروتئین در کنار هم قرار گرفته­اند. ترک­های بوجود آمده در سطح بیرونی، به دلیل وجود آجرهایی با ساختار نانو، قادر به گسترش در سرتاسر پوسته صدفی نمی­باشند. پوسته­های صدفی، نمایشی طبیعی از ساختاری را نشان می­دهند که از ذراتی به ابعاد نانو درست شده است و می­تواند بسیار سخت باشد[1].

روند نانو فناوری، به طور خاص در ساخت نانو نقاط طلا، کار جدیدی نیست. بیشتر شیشه­های رنگی پنجره­هایی که در کلیساهای دوره رنسانس یافت می­شد و برخی از ظروف سفالی جلا دار و صیقل یافته مربوط به دوران سفالی باستان، به این واقعیت متکی بود که خصوصیات مقیاس نانوی مواد از خصوصیات بزرگ مقیاس آنها متفاوت هستند بویژه ذرات طلای نانو مقیاس می توانند نارنجی، بنفش، قرمز یا سبز رنگ باشند که وابسته به اندازه آنهاست. به عبارتی نخستین نانو فناوران در حقیقت شیشه­کاران ریخته گری­های دوره رنسانس

بودند نه سفیدپوشان کارخانه نیمه هادی پیشرفته. شیشه­کاران و جام اندازان قدیم به وضوح نمی­دانستند که چرا کاری که با طلا می­کنند این رنگ­ها را به بار می آورد، در حالی که ما امروز می دانیم.

یکی از بنیانگذاران شرکت اینتل، دو قانون تجربی را متذکر شد تا پیشرفت­های شگفت انگیز در الکترونیک مدارات مجتمع را توصیف کند: قانون اول مور(که اغلب آنرا قانون مور می نامند) می­گوید مقدار فضای لازم برای نصب یک ترانزیستور روی یک تراشه به طور تقریبی هر 18 ماه به نصف کاهش می­یابد این بدان معنی است که نقطه­ایی که 15 سال پیش می­توانست یک ترانزیستور را نگه دارد، اکنون می­تواند ترانزیستور را نگه دارد اما قانون دوم مور، پیامدی از قانون اول است که پیش بینی می­کند هزینه ساخت یک کارخانه تولید تراشه(یا همان خط تولید آن) با بروز هر نسل از تراشه ها یا حدودا هر 36 ماه دو برابر می شود[2].

اساساً ایده رسیدن به اندازه­های کوچک در یک فناوری ریز شده از دیدگاههای مختلفی جالب توجه می­باشد. در صورت رسیدن اندازه به محدوده مقیاس اتم، قوانین فیزیک از حالت کلاسیک خارج شده و از قوانین مکانیک کوانتومی نانو فیزیکی پیروی می نماید. نحوه تغییر رفتار از حالت کلاسیکی و در ادامه به مقیاس اتمی در محدوده فیزیکی قابل درک است، لیکن جزئیات موارد خاص، پیچیده و متفاوت بوده و نیاز به تجزیه و تحلیل بیشتری دارد. اگر چه ممکن است گذار از فیزیک کلاسیک به نانو فیزیک باعث بروز ایرادهایی در ادوات موجود گردد، ولی می­تواند سبب گشوده شدن مولفه­های دیگری برای توسعه ادوات جدید گردد.

به کاستن اندازه ماشین­های حاضر از یک میلی متر به یک نانو متر فکر کنید، کاهشی از مرتبه شش در ابعاد، در این محدوده تغییرات ابعادی و شاید تا 5 مرتبه اول تا حدود اندازه 10 نانومتر قوانین فیزیک کلاسیک نیوتنی بتواند نحوه رفتار ماده را تشریح نماید. این محدوده تغیرات ابعادی بسیار وسیع بوده وبنابراین تغییر مقداری خواص مهم فیزیکی مانند فرکانس ارتعاش نیز بسیار بزرگ خواهد بود که خود می­تواند دری به سوی شکوفایی کاربرد­های جدید باشد[3].

1-2) مقدمه­ای بر لایه های نازک

لایه نازک در واقع لایه ای از مواد است که ضخامت آن در محدوده کسری از یک نانومتر تا چند میکرومتر قرار گرفته باشد. اهمیت عمده لایه های نازک در صنایع الکترونیک، میکروالکترونیک و صنایع نوری می­باشد که در سال­های اخیر با پیشرفت فناوری نانو، رشد قابل ملاحظه ای را در اصلاح خواص سطحی مواد داشته است.لایه­های نازک دارای خواصی ویژه هستند که با خواص مواد مربوطه آنها در حالت حجمی به میزان قابل ملاحظه­ای متفاوت است. این تفاوت به واسطه ابعاد فیزیکی، شکل هندسی و ریزساختار آنها به وجود می آید. همچنین این ویژگی­های مشخصه لایه­های نازک را می توان به میزان بسیار زیادی تغییر داده و به منظور حصول مشخصه­های فیزیکی مورد نیاز و مطلوب تعدیل کرد. این ویژگی­ها پایه و اساس توسعه کاربردهای لایه­های نازک در دستگاههای مختلف را تشکیل می دهند.لایه­های نازک با خواصی ناشی از ویژگی اصلی آنها که شامل نازک بودن و بزرگی فوق العاده نسبت سطح به حجم است، کاربردهای فراوانی در فناوری های نوین یافته اند.برخی خصوصیاتی که در اثر نازک بودن سطح به وجود می­آید شامل افزایش مقاومت ویژه و ایجاد پدیده تداخل نور

می باشد[4].

 1-3) تاریخچه لایه­های نازک

فناوری لایه­های نازک قدمتی چندهزار ساله دارد. این فناوری، به طور همزمان، هم یکی از قدیمی ترین هنرها و هم یکی از جدیدترین علوم می باشد.احتمالاً مصریان اولین کسانی بودند که از هنر زرکوبی و طلاکاری برای تزیین و مقاوم سازی سطوح استفاده می کرده اند.در حدود چهار هزار سال پیش، هنر چکش کاری طلا با تولید ورقه های بسیار نازک زیبا و پایدار در برابر فرایندهای شیمیایی کاربرد داشته است[4].

 1-4) ویژگی­های لایه­های نازک

موقعی گفته می شود یک ماده جامد در شکل «لایه نازک» است، که به صورت لایه ای با ضخامت کم، در روی یک نگهدارنده جامد (زیرلایه) باشد، از ابتدا به وسیله چگالش ذرات انفرادی(اتمی،مولکولی یا یونی) تشکیل می شوند. این عمل ممکن است مستقیماً به وسیله یک فرایند فیزیکی (تبخیر- چگالش) و یا از طریق یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی صورت پذیرد. بایستی تأکید شود که فقط ضخامت کوچک این لایه ها نیست که خواص ویژه و برجسته لایه های نازک را به وجود می آورد، بلکه ریزساختار این لایه ها، که از روش منحصر به فرد تشکیل آنها به وسیله افزایش مداوم قطعات ساختمانی اولیه (اتمها، مولکولها یا یونها) یکی بعد از دیگری ناشی می شود، اهمیت بیشتری دارد[4].

 1-5) روشهای ساخت لایه های نازک

روش‌های ساخت لایه‌های نازک به دو دسته عمده روش‌های فیزیکی و شیمیایی تقسیم‌بندی می‌شوند.

1-5-1) روش ­­­­­­­­­های فیزیکی

1-5-1-1) رسوب گذاری فیزیکی از فاز بخار

در رسوب­گذاری به­روش تبخیر فیزیکی(PVD)[2] پوشش­ها روی سطوح جامد از طریق چگالش عنصرها و ترکیب­ها از فاز گازی تولید می­شوند. تبخیر در خلاء، عمومی­ترین روش تهیه لایه­های بسیار خالص و تحت شرایط نسبتا کنترل شده است. اصول این روش عموما بر اساس اثرهای کاملا فیزیکی پایه­ریزی می­شود [5].

 1-5-1-2) فرایند های تبخیر

تبخیر با فیلامان حرارتی

فرایند رسوب­گذاری فیزیکی بخار با بهره­گیری از فیلامان حرارتی، امری ساده به­نظر می­رسد. به این صورت که با بخار نمودن ماده هدف و نشاندن آن بر روی زیرلایه، سبب ایجاد

لایه نازک خواهد شد. از عواملی که سبب کنترل سرعت رسوب­گذاری در این روش خواهند شد، دمای ذوب ماده هدف و فشار محفظه است. خوشبختانه این روش جزء روش­هایی است که با آن قادر خواهیم بود مواد زیادی را پوشش­دهی نماییم[6].

تبخیر با اشعه الکترونی

تبخیر با اشعه الکترونی از جمله روش­هایی است که جهت پوشش­دهی مواد با نقطه ذوب بالا بکار می­رود. بنابراین جهت پوشش­دهی موادی چون TiNاستفاده از اشعه الکترونی و لیزر نیز امکان­پذیر خواهد است. با این روش امکان رسوب­گذاری فلزات، نیمرساناها و مواد عایق امکان­پذیر می­باشد. از جمله محدودیت­های روش فیزیکی، نیاز به خلاء است که فرایند تبخیر را امکان­پذیر می­سازد[6].

تبخیر با استفاده از انرژی لیزر

رسوب­گذاری فیزیکی بخار با بهره­گیری از لیزر، جزء روش­های موثر در لایه­نشانی به­شمار می­رود. زیرا در این روش، انرژی لیزرهای مورد استفاده به­قدری بالا است که قادر خواهیم بود، مواد سختی چون سرامیک­ها و مواد غیرفلزی از جملهTiNرا بر روی زیرلایه پوشش دهیم. بر اثر برخورد لیزر به ماده هدف، در حد واسط زیرلایه و ماده هدف، پلاسمای باریکی (حد فاصل بین زیرلایه و ماده هدف)تشکیل می­گردد که اندازه آن می­تواند در سرعت پوشش- دهی و ضخامت آن موثر باشد[6].

 1-5-1-3) بر آرایی باریکه مولکولی

برآرایی باریکه مولکولی همان روش تبخیر است که به دستگاه­های آنالیز سطحی از جمله XPS،AES، RHEE,D مجهز می­باشد[7].

 1-5-1-4) رسوب گذاری با بهره گیری از پرتو یونی

رسوب­گذاری با بهره­گیری از باریکه یونی جزء روش­های فیزیکی لایه­نشانی است. در این روش از یک تفنگ یونی که انرژی­هایی در حد کیلو الکترون­ولت دارند، استفاده می­شود.

مکانیزم عمل به این صورت است که حین فرایند تبخیر، این انرژی به انرژی اتم­های تبخیرشده که انرژی کمی دارند، (در حد دهم الکترون ولت) منتقل می­شود و سبب می­­گردد که اتم­های با انرژی بیشتری روی سطح زیرلایه بنشیند و موجب ایجاد لایه نازک با چگالی بالایی خواهد شد [6].

1-5-1-5) فرایند کندوپاش[3]

فرایند کندوپاش، شامل کندن اتم به ­وسیله گاز کندوپاش کننده (مانند گاز آرگون) از سطح ماده هدف و نشاندن آن برروی زیرلایه است. به­دلیل اینکه این روش جزء روش­های رسوب گذاری فیزیکی بخار است، در این فرایند ایجاد لایه­های نازک به­صورت مستقیم­الخط صورت می­گیرد. همچنین در فرایند کندوپاش، پلاسما نقش به­سزایی در کندن اتم از سطح دارد.

در روش کندوپاش، برخورد یون‌های سنگین و بی‌اثر مثل آرگون، که در یک میدان الکتریکی شتاب پیدا کرده‌اند، باعث کندن اتم‌های هدف از سطح و تبخیر آن درون محفظه خلاء می‌شود. سپس این اتم‌های پراکنده شده بر روی سطح زیرلایه، نشانده می‌شوند. در این روش فشار محفظه، ولتاژ و جریان عبوری، نوع و شکل هندسی هدف، شکل هندسی و شرایط سطحی زیرلایه و فاصله میان هدف و زیرلایه از جمله عوامل مهم و تأثیرگذار لایه‌نشانی می‌باشد. برای تولید لایه‌های نازک آلیاژی روش کندوپاش مناسب‌تر از روش تبخیر می‌باشد [8].

[1] . Abalon

[2] .Physical Vapor Deposition

[3] .Sputtering