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

اندازه گیری ضریب اتلاف گرما در پدیده کلیدزنی و تعیین مکانیسم کلیدزنی در شیشه های 2TeO-5O2V-Sb

چکیده:

در کار حاضر، شیشه های V₂O₅ -TeO₂-Sb به روش سرمایش سریع تهیه شدند و اثر میدان الکتریکی قوی بر رسانش الکتریکی توده آمورف این نمونه ها با درصدهای مولی مختلف مولفه های تشکیل دهنده آنها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دهنده آن است که در میدانهای ضعیف، رسانش اهمی بوده در حالیکه در میدانهای الکتریکی قوی، نمونه ها رفتار غیر اهمی را در رسانش الکتریکی از خود نشان دادند. همچنین منحنی های مشخصه ولتاژ- جریان، افزایش انحراف از قانون اهم را همراه با افزایش چگالی جریان الکتریکی نشان می دهد. این رفتار غیر اهمی در میدانهای الکتریکی حدود (V/cm) 10⁴ اتفاق می افتد. همچنین، با توجه به اثر گرمای ژول در فیلمان جریان الکتریکی، مدل الکتروگرمایی برای این نمونه ها در نظر گرفته شده و فاکتور اتلاف گرما در نمونه و انرژی فعالسازی الکتریکی بدست آمده­اند.

 فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول : معرفی جامدات و نیمرساناهای آمورف، ....

1-1)مقدمه2

1-2) کلیات و تعاریف در مورد جامدات آمورف (بی شکل)3

1-3) تعریف بی نظمی و انواع آن5

1-4) نیمرساناهای بی شکل (آمورف)11

1-4-1) مقدمه11

1-4-2) انواع نیمرساناهای بی شکل11

1-4-3) شیشه ها12

1-5) نظریه الکترونی سیستم های بی نظم15

1-5-1) مقدمه15

1-5-2) ساختار نواری انرژی17

1-5-2-1) حالت های جایگزیده و جایگزیدگی آندرسون17

1-5-2-2) معرفی مدل های متداول ساختار نواری برای مواد بی شکل22

1-5-2-2-1) مدل کوهن- فریتشه- اوشینسکی23

1-5-2-2-2) مدل دیویس- مات24

1-6) مدل رسانشی پلارون کوچک در نیمرساناهای آمورف24

1-7) معرفی برخی روش های فیزیکی و شیمیایی تهیه مواد بی شکل25

1-8) مروری بر برخی کاربردهای مواد آمورف در حوزه های مختلف علوم26

1-8-1) کاربردهای الکترونیکی26

1-8-2) کاربردهای الکتروشیمیایی28

1-8-3) کاربردهای نوری28

فصل دوم : بررسی مصداقی مدل الکتروگرمایی در پدیده کلیدزنی

2-1) مقدمه33

2-2) پديده هاي ميدان قوي34

2-3) سرعت رانشي حامل ها در ميدان هاي الكتريكي قوي35

2-4) اثرات حجمی میدان قوی36

2-5) رسانش در ميدان قوي و اثر ميدان قوي در رسانش پلاروني شيشه ‏هاي حاوي يون هاي فلزات واسطه39

2-6) رسانش غيراهمي41

2-7) اثر پول فرنكل41

2-7-1) تزريق بار در اتصالات48

2-7-1-1) اتصال خنثي48

2-7-1-2) اتصال اهمي48

2-7-1-3) اتصال غیر اهمی49

2-7-2 ) اثر شاتكي49

2-8) تفاوت اثرات پول – فرنکل و ریچاردسون - شاتکی51

2-9) معرفی پدیده کلیدزنی52

2-10) مقاومت ديفرانسيلي منفي54

2-11) شكست‏ دي‏الكتريك ‏و فرآيند ‏تشكيل55

2-12) رسانش- كليد زني و پديده هاي حافظه ‏اي (شبه پايدار)55

2-13) كليدزني حافظه ‏اي و آستانه اي58

2-14) مکانیسم کلیدزنی60

2-14-1) نظریه الکتروگرمایی62

2-13-2) نظریه ی گرمايي64

2-14-3) نظريه ی الكترونیكي68

2-15) مکانیزم کلیدزنی در شیشه های چلکوجنی71

2-16) مقايسه ی كليدزني در مواد بلوري و آمورف71

2-16-1) دلایل رخ دادن پدیده کلیدزنی در مواد آمورف72

فصل سوم : روش آزمایشگاهی، آنالیز نمونه ها و برنامه نویسی کامپیوتری

3-1) مقدمه74

3-2) فرآیند آزمایشگاهی74

3-2-1) مقدمه74

3-2-2) مشخصات پودرهای اولیه و روش تهیه نمونه های مورد نظر75

3-3) مشخصه یابی نمونه ها78

3-3-1) تحلیل طرح پراش پرتو X78

3-3-2) اندازه گیری چگالی نمونه ها78

3-3-3) اندازه گیری های الکتریکی نمونه ها در میدان الکتریکی قوی78

3-4) حل عددی و برنامه نویسی81

فصل چهارم : بحث و نتیجه گیری

4-1) مقدمه83

4-2) بررسی الگوی پراش نمونه با استفاده از پرتو X و تصاویر SEM84

4-3) بررسی پدیده کلیدزنی در نمونه های توده ای88

4-3-1) بررسی منحنی های جریان- ولتاژ در فواصل الکترودی مختلف و همچنین بررسی منحنی های توان الکتریکی مؤثر بر حسب 88

4-3-2) بررسی منحنی های جریان- ولتاژ در دماهای مختلف و فاصله الکترودی ثابت و همچنین بررسی منحنی های توان الکتریکی(IV) بر حسب 109

4-3-3) حل عددی و حصول نمودار های I-V با استفاده از برنامه نویسی کامپیوتری127

4-4 ) نتایج کلی133

منابع و مراجع

منابع و مراجع136

 فهرست جداول

عنوان صفحه

جدول 1-1)30

جدول 3-1)76

جدول 3-2)76

جدول (4-1)108

جدول (4-2)126

 فهرست اشکال

عنوان صفحه

شکل 1-1)4

شکل 1-2)10

شکل 1-3)14

شکل 1-4)19

شکل 1-5)20

شكل1-6)21

شكل1-7)21

شکل1- 8)23

شكل2-1)37

شکل2-2)39

شكل 2-3)42

شکل 2-4)45

شکل (2-5)47

شکل2-6)49

شکل2-7)51

شکل2-8)54

شكل2-9)56

شکل 2-10)59

شکل 2-11)63

شکل 2-12)64

شکل 2-13)66

شکل 2-14)68

شکل2-15)70

شکل 3-1)79

شکل 3-3)80

شکل 4-1)87

شكل 4-2)87

شکل 4-3)91

شکل 4-4)92

شکل 4-5)93

شکل 4-6)94

شکل 4-7)95

شکل 4-9)97

شکل 4-10)98

شکل 4-11)99

شکل 4-12)100

شکل 4-13)101

شکل 4-14)102

شکل 4-15)103

شکل 4-16)104

شکل 4-17)105

شکل 4-18)106

شکل 4-19)110

شکل 4-20)111

شکل 4-21)112

شکل 4-22)113

شکل 4-23)114

شکل 4-24)115

شکل 4-25)116

شکل 4-26)117

شکل 4-27)118

شکل 4-28)119

شکل 4-29)120

شکل 4-30)121

شکل 4-31)122

شکل 4-32)123

شکل 4-33)124

شکل (4-34)127

شکل (4-35)128

شکل (4-36)129

شکل (4-37)130

شکل (4-38)131

 فصل اول

v معرفی جامدات و نیمرساناهای آمورف

v نظریه الکترونی سیستم های بی نظم

v مروری بر برخی کاربردهای جامدات آمورف

  1-1)مقدمه

مواد آمورف با توجه به اهمیت آنها از نظر خواص و کاربردهای فناوری بسیار حائز اهمیت هستند و لازم به ذکر است که مواد آمورف یا بی شکل، مواد جدیدی نیستند و شیشه­های سیلیکاتی دارای قدمت بیلیون ساله اند]1[.

در فیزیک ماده چگال، مواد بی شکل یا غیر بلوری جامداتی هستند که فاقد نظم بلندبردبوده که از ویژگی های یک بلور است. امروزه، "جامد بی شکل" به عنوان مفهوم فراگیر و شیشه­ای خاص مورد استفاده قرار می گیرد [2].

مواد آمورف به خاطر خواص منحصر به فرد خود جایگاه ویژه ای در صنعت دارند که این خواص تقریباً در جامدات بلوری مشاهده نمی شود. از جمله دلایل دیگر اهمیت این مواد این است که آنها را نسبت به مواد بلوری نسبتا راحت تر می توان تهیه و همچنین خواص نوری و الکتریکی مواد آمورف را میتوان از طریق تغییر درصد مولی مؤلفه های تشکیل دهنده آن ها کنترل کرد [1و3]. مواد آمورف بصورت توده ای[1]و لایه های نازک[2] به این علت که رشد مسیرهای رسانشی در آنها نسبت به مواد بلوری آسانتر بوده و تغییرات فیزیکی در ساختار این مواد با سرعت بیشتری انجام می شود، در سیستم های کلیدزنی[3] بسیار مورد استفاده اند.از دیگر کاربردهای این مواد می توان به کاربرد در تهیه فیبر های نوری اشاره کرد ]1[.

لازم به ذکر است که در جامدات آمورف میانگین مسافت پویش آزاد حامل بار کوچکتر از ثابت شبکه ای a است در صورتیکه در یک شبکه بلوری بزرگتر می باشد]4[.

در بخش پایانی فصل برخی کاربردهای مواد آمورف را در دسته بندی های خاص بیان خواهیم کرد.

 1-2) کلیات و تعاریف در مورد جامدات آمورف (بی شکل)

جامدات بی شکل، غیربلوری هستند و فاقد نظم تناوبی بلندبرد در آرایش اتم های تشکیل دهنده می باشند.همه مواد را می‌توان با جلوگیری از تبلورشان بصورت آمورف درآورد، به این صورت که باید سرعت سرمایش برای تبدیل فاز مایع به جامد به قدری بالا باشد که اتم‌ها فرصت حرکت و چیده‌شدن بصورت بلوری در کنار یکدیگر را نداشته‌باشند. از شیشه‌ها می‌توان به عنوان نمونه مناسبی در این زمینه اشاره کرد. در مواد بلوری به هنگام گرم‌کردن جامد مستقیما به فاز مایع تبدیل می‌شود، اما در مواد آمورف، در میانه گرمایش، ابتدا جامد ترد تبدیل به جامد نرم می‌شود و سپس با ادامه گرمایش ذوب رخ می‌دهد. دمایی که در آن جامد ترد به نرم تبدیل می‌شود را دمای گذار شیشه ای[4] می‌نامند. البته منظور این نیست که مواد بی شکل به طور کامل بر روی مقیاس اتمی بی نظم هستند بلکه می توانند بصورت محلی دارای نظم کوتاه برد باشند ]5و6[.

بطور مثال بيشتر فلزات دارای ساختار بلوری هستند و فلزات بلوری در سه بعد تكرار مي شوند، اما براي فلزات آمورف ساختار اتفاقياست . گرما دادن به فلز آمورف باعث ايجاد ساختار كريستالي در اين مواد مي شود. فلزات آمورف به ميزان زيادي زنگ نزن، غير مغناطيسي و از فلزات قراردادي چندين برابر قوي تر هستند و اين فلزات استحكامي سه برابر فولاد، با وزن يكسان دارند. فولادهاي آمورف مي توانند به عنوان يك ماده با وزن كم با پلاستيك ها و كامپوزيت ها در زمينه هاي حمل و نقل و الكتريسته رقابت كنند. مشكل اين مواد (فلزات آمورف) ترد بودن آنها مي باشد آنها در صورت اعمال شوک مانند شيشه مي­شكنند ]7[.

جامدات بی شکل به دلیل فقدان نظم و تناوب بلندبرد در شبکه، دارای ویژگی های خاصی هستند که در مواد بلوری دیده نمی شود. در بلور کامل، اتم ها به طور تناوبی و نامتناهی در یک فضای سه بعدی تکرار می شوند و به عبارت بهتر نظم بلندبرد داشته و تابع موج الکترونی در آن ها تابع موج بلاخ می باشد، در حالیکه در جامدات بی شکل تابع موج بلاخ دیگر معتبر نیست. بلورهای محدود دارای ناکاملی های سطحی و حاوی نقایصی مانند تهیجا[5]، اتم بین شبکه ای، دررفتگی، بلورهای ناکامل یا واقعی هستند. با این وجود، بی نظمی[6]می تواند فراتر از حد ناکاملی در بلور باشد ]5[. بنابراین می توان از نظر ساختاری جامدات را به طور کامل، به سه دسته بلوری، چندبلوری و بی شکل تقسیم نمود که طرحواره بلور کامل و بی شکل در شکل (1-1) نشان داده شده است]8[؛ البته لازم است بین جامدات بی شکل و چندبلوری تفاوت قائل شویم، بدین صورت که در جامدات بی شکل صرفاً ممکن است مناطقی کوچک با نظم کوتاه برد در ریز ساختار نمونه وجود داشته باشد در صورتیکه در حالت چندبلوری، نظم بلوری حوزه های مختلف با هم تفاوت دارد ]6[.

شکل 1-1)یک ساختار دو بعدی فرضی: a) شکل بلورین b) چندبلوریc) بی شکل ]1[.

 در این طبقه بندی یادآور می شویم که در مواد بی شکل نظم بلندبرد[7] وجود ندارد که به معنی فقدان نظم کوتاه برد[8] روی پیکربندی نزدیکترین همسایه ها نیست و بسیاری از خواص جامدات بی شکل معطوف به وجود همین نظم کوتاه برد می باشد. بنابراین می بایست انواع مختلف بی نظمی را معرفی نماییم.

 1-3) تعریف بی نظمی و انواع آن

از زمانی که برای نخستین بار تشخیص داده شد بی نظمی کافی موجب جایگزیدگی[9] حالت های الکترونی درون نوارهای انرژی رسانش و ظرفیت می شود، 50 سال می گذرد (جایگزیدگی در بخش های بعد معرفی خواهد شد). اگر بی نظمی برای جایگزیدگی تمام حالت های درون نوار کافی نباشد آنگاه تنها برخی از حالت های الکترونی همچون آن هایی که در لبه نوارهای انرژی مجاز قرار دارند، جایگزیده می شوند. حتی برای بی نظمی بی نهایت کوچک، حالت های جایگزیده با چگالی های کوچک وجود دارد. جدایی میان پایین ترین انرژی حالت های جایگزیده در پایین نوار رسانش، محدوده ای از انرژی را پدید می آورد که به عنوان گاف تحرک[10] شناخته می شود. برای نیمرساناهای آمورف چنین جایگزیدگی موجب ایجاد پیامدهای فراوانی در بسیاری از خواص الکترونی و نوری می شود. اگرچه پیشرفت قابل توجهی در درک جزئیات این حالت ها به وجود آمده است بسیاری از مسائل مهم مبهم باقی مانده است. حتی جامدهای بلوری نیز بی نظم هستند. در واقع تمامی جامدات واقعی در دمای محدود رشد می یابند و دچار ناراستی ترمودینامیکی می شوند. همچنین می توان گفت ناخالصی ها همواره در جامدات واقعی وجود دارند. حتی اگر تصور شود که یک جامد کامل مثل Si و Ge که دارای هیچگونه ناخالصی یا ناراستی نیست، به علت وجود ایزوتوپ های مختلف دارای بی نظمی خواهد بود]9[. به عبارت دیگر، در بلورهای کامل، تمامی ویژه حالت­های تک ذره ای، حالت های بلاخ هستند که در سراسر فضا گسترش یافته اند. در جامدهای بی نظم، حالت های جایگزیده و گسترده می تواند بطور همزمان وجود داشته باشد هرچند که دارای انرژی های مختلفی باشند. انواع حالت های جایگزیده و غیر جایگزیده از نظر انرژی توسط لبه ی تحرک از هم جدا می شوند. فرآیند جایگزیدگی ناشی از بی نظمی، جایگزیدگی "آندرسون" نامیده میشود و به طبیعت کوانتوم مکانیک حالت های الکترون بستگی دارد]10[.

اگر کلیه جامدهای واقعی بی نظم باشند در نگاه اول به نظر می رسد که باید تآثیر حالت­های الکترونی جایگزیده تماماً در نظر گرفته شود. به طور کلی این فرضیه صادق است اما واضح است که نظریه ی جامدهای بلورین کاملاً در توصیف خواص کپه ای اغلب جامداتی که اتم های آنها بر روی یک شبکه ی تناوبی قرار گرفته است، بسیار موفق بوده است. در واقع، برخی خواص همچون رسانندگی الکتریکی را می توان در قالب بعضی جزئیات بدون رجوع به یک شبکه تناوبی که برای محاسبه حالت های کوانتومی لازم است، شرح داده شود. گاز فرمی الکترون آزاد بارزترین مثال به شمار می رود. بنابراین بهتر است بحثمان را به بی نظمی خلاصه کنیم و تنها آن مواردی را در نظر بگیریم که خود بی نظمی در تعیین خواص فیزیکی کپه ای حائز اهمیت است، همچون خواص گرمایی، ارتعاشی، نوری یا الکتریکی. در نیمرساناهای آمورف این مسئله همواره مطرح است [9].

حال به معرفی مختصر انواع بی نظمی می پردازیم که در یک دسته بندی عمومی عبارتند از:

الف) بی نظمی همگن[11]، ب) بی نظمی ناهمگن[12]. بی نظمی همگن هنگامی رخ می دهد که تمام منطقه های با تعداد زیاد اتم یا مولکول دارای میانگین یکسان خواص کپه ای از جمله چگالی، سرعت صوت، گرمای ویژه، رسانندگی گرمایی یا الکتریکی و ... باشند. ساده ترین مثال بی نظمی همگن، بی نظمی است که در یک شبکه تناوبی ایجاد می شود. این دسته از بی نظمی ذاتاً دارای نظم هندسی هستند، چرا که می توان یک مکان های شبکه ای را با استفاده از بردارهای انتقال مناسب و خوش تعریف مشخص ساخت. یعنی بی نظمی در نوع اتم یا مولکولی که در یک مکان خاص موجود است، ایجاد می شود. اتم ها و مولکول ها بر روی یک شبکه منظم قرار می گیرند، اما در نوع اتم واقع در هر مکان شبکه ای قطعیتی وجود ندارد. بی نظمی همگن بر روی یک شبکه تناوبی گاهی بی نظمی جایگزینی یا بی نظمی سلولی نیز نامیده می شود. هالیدهای قلیایی – نیمرساناهای III-Vو ... مثال هایی از بی نظمی همگن اند.

گروه دیگری از بی نظمی همگن، بی نظمی است که جامد دارای نظم تناوبی بلندبرد نمی باشد. این جامدات که جامدات آمورف گروه اصلی آن ها را تشکیل می دهد دارای بی نظمی هندسی ذاتی هستند، اما بر روی یک مقیاس ماکروسکوپی همگن باقی می مانند. اگرچه نظم بلندبرد تناوبی نیست، اما تمامی جامدات در این گروه دارای ترتیب اتمی محلی می باشند که تا حدی منظم است (نظم کوتاه برد). برای چنین جامدهایی نظم در ترتیب محلی اتم ها با فاصله گرفتن از یک مکان شبکه ای به سرعت محو می شود.

بسیاری از مواد که دارای بی نظمی همگن از نوع فقدان تناوب بلندبرد می باشند می توانند در قالب آمورف[13]، زجاجی[14] یا شیشه ای[15] توصیف می شوند. یک جامد بی نظم همگن اگر آرایه ی تناوبی مکان های شبکه ای نداشته باشد، آمورف در نظر گرفته می شود؛ در این سامانه ها برخی از ارتباط های هندسی میان اتم ها یا مولکول ها اتفاقی و کاتوره ای است. با توجه به این توضیحات، چنین برمی آید که فرونشانی سریع فاز مذاب به جامد منجر به آمورف شدن می شود.

بی نظمی ناهمگن از بی نظمی همگن پیچیده تر است. در این جامدات خواص میانگین از یک منطقه به منطقه ی دیگر متفاوت است. در مقایسه با جامدات بی نظم همگن، می توان جامدات بی نظم ناهمگن را در دو گروه در نظر گرفت، یکی در ابتدا به صورت هندسی منظم و دیگری از ابتدا نا منظم. مثال هایی از گروه اول، جامدهای چند بلوری، بلورهای با فازهای مجزا می باشند؛ مثال های گروه دوم شیشه ها و سرامیک چندفازی هستند. لایه های نازک سیلیکون نانو بلورین و میکرو بلورین معمولاً ترکیبی از این دو است.

به طور کلی، بی نظمی افت و خیز در پتانسیل را برای الکترون ها به وجود می آورد که در عین حال موجب جایگزیدگی برخی از توابع موج الکترون ها و حفره ها در نیمرساناها می گردد. این مسئله نخستین بار توسط آندرسون مورد بررسی قرار گرفت. او مدل سه بعدی کرونیگ – پنی را با چاه پتانسیل هایی که در مقدار میانگین دچار افت وخیز کاتوره ای بودند در نظر گرفت.

[1]Bulk

[2]Thin film

[4]. Glass transition temperation (T_g)

[5]Vacancy

[6]Disorder

[7]Long-rang order

[8]Short-rang order

[9]Localization

[10]Mobility gap

[11]Homogeneous disorder

[12]Inhomogeneous disorder

[13]Amorphous

[14]Vitreous

[15]Glassy