نانو ذرات و لایه های نازک فروالکتریک

هنگامی که ابعاد ماده تا اندازه های نانو کاهش پیدا می کند خواص مواد تغییر می کند.
این تغییرات میتواند ناشی از اثرات کوانتومی اندازه ، اثرات سطح، تغییر درپارامترهای شبکه و تقارن های بلوری باشد .پارامترهای تعادلی شبکه و پایداری بلوری توسط نیروهای بلند برد و کوتاه برد کنترل می شود. نیروهای کوتاه برد ناشی از برهمکنش با همسایه های نزدیک است پس اثرات اندازه بر روی آن قابل صرفنظر کردن است درحالی که نیروهای بلند برد و خواص ناشی از این نیروها متاثر از اندازه بلور است. دربعضی مواد اکسیدی باکوچک شدن اندازه، یک تغییر ناهمسانگرد دراندازه یاخته واحد مشاهده می شود. این تغییر دراندازه شبکه موجب تغییرات بسیار زیادی درخواص ماده می گردد به ویژه باعث تغییر خصوصیاتی از ماده می شود که ناشی از نظم های بلوری بلند برد است . بنابراین هنگامی که تنها چند دهم نانومتر تغییر در اندازه سلول واحد داریم تغییرات بسیار زیادی در دمای بحرانی، پارامتر نظم، و دیگر خصوصیات جمعی که ناشی از اثرات بلند برد است می بینیم . این اثرات به دلیل خواص جمعی مواد فروالکتریک همانند مواد فرومغناطیس بسیار محسوس هستند. بارزترین خصوصیت مواد فروالکتریک منحنی پسماند آنها می باشد که قبلاً به آن اشاره شد. با کاهش ابعاد، این منحنی تغییرات زیادی می کند. در لایه های بسیار نازک این منحنی بسیار باریک می‌شود و قطبش پسماند به صفر میل می‌کند.
با کاهش ابعاد در موارد پیروالکتریک تغییرات زیادی در خواص آنها ایجاد می گردد. ذرات ماکروسکوپیک و دانه ها دارای حوزه های پیچیده ای هستند. ولی اگر اندازه‌ی دانه‌ها به اندازه کافی کوچک شود دانه ها تک حوزه می گردند. در مواد فرومغناطیس همانند γ-Fe_2 O_3 این گذار در حدوداً 40 نانومتر روی می دهد این تک حوزه ها در مواد فروالکتریک و پیروالکتریک در حوالی 200 نانومتر تشکیل می شوند. با کاهش بیشتر اندازه دانه ها حالت های فرویی به حالت های سوپرپارا تبدیل می شوند در این حالت‌ها حالت قطبش خود به خودی از بین می‌رود و منحنی پسماند ناپدید می گردد. ولی همچنان خواص غیر خطی در ماده وجود دارد. این گذار در اندازه‌ای روی می‌دهد که کاهش انرژی آزاد حجمی در مرتبه انرژی گرمایی است. در مواد فروالکتریک همانند تیتانات سرب این اندازة بحرانی حدوداً 8 نانومتر است. کاهش بیشتر اندازة دانه ها باعث از بین رفتن اثرات غیرخطی می شود و خواص دانه به شدت به اثرات سطحی وابسته می‌گردد. اثرات اندازه دانه در گذردهی و دمای گذار فاز برای بعضی مواد فرو الکتریک همانند تیتانات سرب مطالعه شده است. این تغییرات در قسمت حقیقی تابع دی الکتریک توسط افراد مختلف بررسی شده است (شکل 1). همانگونه که مشاهده می شود برای اندازة دانه 800 نانومتر نمونه دارای بیشترین مقدار گذردهی است. این بیشینه ناشی از دو اثر است. در اندازه ذرات زیر میکرون مقدار گذردهی به دلیل تنش داخلی در ذرات افزایش می یابد و در اندازه های کوچکتر مقدار گذردهی به دلیل اثرات لایه ها کاهش می‌یابد. نانوذرات BST به روش های مختلفی تولید می گردند تولید این نانوذرات به روش انحلال گرمایی نشان می دهد که شکل ذرات از حالت کروی نامنظم به مکعبی تغییر می کند شکل 2 و با افزایش Sr اندازه دانه ها افزایش پیدا می کند. هنگامی که حالت دی الکتریک مواد پیرو و فروالکتریک افزایش می یابد این مواد نامزدهای خوبی برای کاربردهای همانند خازن ها، القاگرها، قطعات الکترواپتیکی و ماکروویو هستند. در میان تمام مواد فرو الکتریک ساختار BST دلیل ثابت دی الکتریکی بالا و وابستگی دمای کوری به درصد عناصر پتانسیل بالایی برای کاربرد در حسگرهای پیروالکتریکی و حافظه های تصادفی و قطعات ماکرویو دارد. برای اینکه خاصیت مورد نظر برای کاربرد خاص حاصل شود می توان از نانوپودرهای این مواد استفاده کرد که کیفیت ذرات اندازة آنها کنترل شده باشد. نازک کردن لایه ها و کوچک کردن اندازه دانه ها باعث انعطاف پذیری در ساخت و کنترل جهت گیری ها و تقویت امکان ساخت میکروابزارها از مواد فروالکتریک می شود. مشخصات نانوساختاری همانند اندازه دانه ها، مرزدانه ها میخ کوبی دیوارة حوزه ها، خواص پیروالکتریکی و پیروالکتریک مواد فروالکتریک را به شدت تحت تأثیر قرار می دهد. هنگامی که یک ذرة فرو الکتریک در اثر کاهش اندازة دانه به یک تک حوزه تبدیل می گردد، دیواره های حوزه در مرز دانه ها قرار می گیرد و حرکت دیواره ها محدود می‌گردد. تغییر در دمای گذار، افزایش رسانش و افزایش اثر دیواره ها در پاسخ دی الکتریک از اثرات کاهش اندازه دانه است. میزان تغییرات P_r و E_c نسبت به ضخامت برای یک لایه فروالکتریک PZT در شکل 3 آورده شده است. دلیل تغییرات این دو کمیت را می‌توان در میزان تنش پسماند و بهبود کیفیت لایه ها با کاهش ضخامت است. از مهمترین خواص لایه های نازک این مواد می توان به پایداری حرارتی این مواد اشاره کرد که یک نمونه از تغییرات دمایی گذردهی بر حسب دما در شکل 4 نشان داده شده است. مشخص است که لایه ی نازک نانومتری دارای پایداری بهتر و ثابت دی‌الکتریک مناسبتری برای کاربرد های ماکروویو است. در جدول 1 مقایسه ای بین خواص لایه نازک و نمونه های حجمی صورت گرفته است. همانگونه که مشاهده می شود لایه های نازک نانومتری این مواد دارای مشخصه های کاربردی بهتری برای مصارفی از قبیل ماکروویو و حسگر ها هستند. آخرین ستون از جدول 1 میزان کارایی ماده را برای کاربردهای ماکروویو معیین می‌کند.
از کاربردهای نانوذرات فرو الکتریک می توان به موارد زیر اشاره کرد.

حافظه های دستیابی تصادفی

دی الکتریک ها که فروالکتریک ها دسته بسیار مهمی از آنها می باشند مواد بسیار کلیدی در مدارهای مجتمع هستند .خازن دی الکتریک یکی از اجزای بسیار مهم حافظه های دستیابی تصادفی هستند. دی الکتریک ها قسمت های فلزی یک مدار را از یکدیگر جدا می کنند. این دی الکتریک ها نقش کلیدی در عملکرد قطعات نیم رسانای حالت جامد دارند. با روند کاهش ابعاد این قطعات مشکلات جدیدی به وجود آمده است .
1. هنگامی که لایه های سیلیس خیلی نازک می شوند تونل زنی مستقیم حامل ها اهمیت پیدا میکند .
2. مشکلات ذخیره سازی داده ها در حافظه های تصادفی به دلیل افزایش سرعت انتقال داده. برای حل مشکلات باید از موادی با ضریب دی الکتریک بالا استفاده کرد. دو گروه از موادجایگزین پیشنهاد می شود. مواد دی الکتریک با ساختارهای بلوری ساده که از دو عنصر ساده تشکیل شده اند و معمولاً یک فلز بهمراه عنصر اکسیژن است. برای مثال می توان به ترکیب های Ti_2 O_5 و دی اکسید تیتانیم , اشاره کرد که ضریب دی الکتریک آنها از 8 تا 160 تغییر می کند . ولی در این مواد گاف انر‍ژی بسیار کوچکتر از گاف انرژی در سیلیس است. و این امر باعث شکست دی الکتریک در این مواد درمیدانهای پایین می شود.
دسته دیگری که از مواد که به عنوان لایه های نازک دی الکتریک می توان از آنها استفاده کرد لایه ی نازک مواد فروالکتریک است. به دلیل ضریب دی الکتریک بالایی این مواد استفاده از آنها در ترانزیستورهای اثر میدانی درحال بررسی است . برای مثال ثابت دی الکتریک BST که نوعی فرو الکتریک معروف است بین 1500- 700 تغییر می‌کند. ثابت دی الکتریک درلایه‌های نازک بین 800 – 200 است دمای لا یه نشانی این مواد اثر زیادی بر روی ثابت دی‌الکتریک آن دارد.

حسگر گاز هیدرو‍ژن

حسگرهای گاز برپایه نیم رساناها به دلیل عملکرد ساده، حساسیت بالا ،اندازه کوچک و قابلیت مجتمع سازی با مدارهای میکروالکتریک دارای اهمیت اساسی هستند .این امر تولید انبوه و کاهش قیمت این قطعات را امکان پذیر می سازد. درمیان تمام موادی الکتریک موجود لایه های نازک فروالکتریک دارای عملکرد بسیار بالایی برای این کاربرد خاص هستند.
این امر به دلیل راحتی کنترل رشد و کیفیت خوب لایه های نازک این مواد است. امکان تولید مواد فروالکتریک حجمی با این کیفیت مشکل است .دمای بازپخت، روش تولید، کیفیت لایه‌ها، نوع زیرلایه بر روی عملکرد این حسگرها تاثیر گذار است.

حسگرهای پیروالکتریک

تصویر برد اری گرمایی دارای اهمیت بسزایی در صنایع نظامی است. دستگاههای تصویر برداری کنونی به دلیل افت ولتاژ درماده فعال، تولید گرما می کنند و نیاز به پایدارکننده گرمایی دارند. حسگرهای مادون قرمز و تصویربرداری گرمایی که درآنها از مواد پیرو الکتریک همانند BST استفاده می کنند این مشکل را ندارند. همچنین این مواد کارایی بالاتری نسبت به سرامیک های دیگر دارند. دمای کوری بالا، هزینه تولید پایین و ضریب پیرو الکتریک بالا از خصوصیات لایه های نازک مواد فروالکتریک است که برای این حسگرها مهم است .

لایه های نازک الکترولومینس (TFEL)

این ابزار دارای ساختمان، الکترودفلزی/فسفر/عایق(دی الکتریک)/اکسید تین ایندیوم/شیشه هستند. نقش لایه عایق برای جلوگیری از شکست لایه فسفر است. بنابراین نیاز به یک لایه با ثابت دی الکتریک بالا داریم که درناحیه تابش فسفر شفاف باشد. افت ولتاژ درطول لایه دی‌الکتریک باعث اعمال ولتاژ کمی روی لایه فسفر می شود. برای افزایش کارای این قطعات تا حد ممکن باید از افت ولتاژ درلایه های دی الکتریک جلوگیری کرد. نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که لایه های نازک فروالکتریک با گذردهی و توان عبور بالا در ناحیه مرئی دارای عملکرد بسیار خوبی دراین قطعات هستند.

قطعات ماکروویو

در سالهای اخیر تحقیقات زیادی بر روی ناوذرات و لایه های نازک فروالکتریک انجام شده است. این امر به دلیل پتانسیل و قابلیت بالای این مواد برای کاربردهای ماکروویو است. مجتمع سازی لایه های نازک نه تنها به دلیل کاهش اندازه و وزن صورت می گیرد بلکه بیشتر به دلیل سازگاری این ساختار های لایه ای با مدارها و قطعات ماکروویو مسطح است. لایه‌های نازک در فرکانس های بالا دارای مزیت دیگری نیز بر نمونه های حجمی هستند در این نمونه‌ها میدان بسیار بزگی (V/cm0-200) را میتوان به کمک میدان بایاس کوچکی در نمونه ایجاد کرد. ضریب ظرفیت گرمایی در لایه های نازک مواد فروالکتریک پهن تر از نمونه های حجمی است. و این به این معنی است که ضریب دی الکتریک لایه های نازک نسبت به دما همانند نمونه های حجمی تیز نیست این خاصیت باعث پایداری گرمایی بهتری درلایه های نازک نسبت به نمونه‌های حجمی می شود.
با وجود اینکه تحقیقات زیادی بر روی لایه های نازک مواد فروالکتریک انجام شده است اما اتلاف دی الکتریک و کوک پذیری پایین این مواد همچنان جز مسایل مورد بررسی در این حوزه است و تا کنون به پیشرفت های جالب توجه ای در این زمینه رسیده اند. بنابراین به دنبال تولید لایه های نازکی هستند که دارای کوک پذیری بالا ضریب دی الکتریک مناسب و تانژانت اتلاف پایینی باشد. تولید و تحقیق بر روی لایه های نازک و نانو ذرات BST گام مهمی در این راستا بوده است زیرا که این نمونه از لایه های نازک فروالکتریک دارای خصوصیات لازم برای کاربردهای ماکروویو را دارا می باشد و نقص موجود که به آن اشاره شد در این نمونه ها وجود ندارد. این امر امکان تولید قطعات ماکروویو با هزینه پایین و اعتماد پذیری بالا را ممکن ساخته است. ترکیبات لایه نازک به طور موثری بر خصوصیات دی‌الکتریک آن اثر می گذارد. برای کاربردهای ماکروویو کوک پذیری بالا و اتلاف کم در فرکانس های بالا دو فاکتور اساسی در انتخاب مواد برای عملکرد مناسب و بهینه قطعات است. انتخاب مناسب نسبت Br/St در لایه های نازک BST بستگی به دمای کاری قطعه مورد نظر دارد. دمای کوری این لایه ها به صورت خطی با مقدار Sr موجود در BST تغییر می کند. در ساخت لایه های نازک برای قطعات کوک پذیر همانگونه که طراحی این ابزار در کارای آنها اثر گذار است کیفیت لایه های نازک هم به همان مقدار دارای اهمیت می باشد. در بیشتر قطعات ماکروویو همانند تغییر دهنده های فاز و مشدد ها که از لایه های نازک فروالکتریک استفاده می کنند از الکترود های هم صفحه برای بکار گیری لایه نازک استفاده می کنند. برای مثال می‌توان از خازن های به هم جفت شده، موج بر های هم صفحه و میکرواستریپ های کوپل شده نام برد. در خازن های به هم جفت شده لایه نازک فروالکتریک مستقیم بر روی زیر لایه تک کریستال مناسب نشانده می شود. در عمل ساخت قطعات جفت شده آسان تر می‌باشد و الحاق آنها به مدارهای میکرواستریپ ساده تر است ولی کوک پذیری این وسایل کاهش پیدا می کند که این امر به دلیل نشت الکتریکی زیاد در هوا است. علاوه بر این ولتاژ بایاس مورد نیاز هم افزایش می یابد.
برای کاربرد های ماکروویو لازم است که گذردهی این مواد بین 50-1500 باشد همانگونه که در شکل 5 می بینیم لایه های نازک فروالکتریک نمونه های BST مناسب تر از نمونه های حجمی هستند.
شکل 5
با این وجود که مبحث لایه های نازک فروالکتریک جدید نیست ولی همچنان افزایش کیفیت لایه ها و و بهبود خواص دی الکتریک همچنان ادامه دارد. بیشتر قطعات ماکروویو که از لایه های نازک فروالکتریک برای قسمت های فعال استفاده می کنند دارای ساختار لایه ای هستند. برای افزایش کوک پذیری و کاهش اتلاف در این وسایل باید لایه های نازک این ابزار بر روی زیر لایه های تک کریستال با ضریب دی الکتریک و اتلاف دی الکترک پایین استفاده کرد. برای مثال می توان به زیر لا یه های اکسید منیزیم و LAO اشاره کرد. با استفاده از لایه های نازک فروالکتریک در ساختار های مسطح میتوان به کوک پذیری بالا رسید که لازمه این امر رشد لایه های مناسب برروی این زیر لایه ها است هرچند که رشد همبافته به دلیل عدم مطابقت لازم بین ثابت شبکه لایه و زیر لایه بسیار مشکل است. یکی از روشهای کاهش این عدم مطابقت استفاده از ساختار های بین لایه ای است که میان زیر لایه و ماده فروالکتریک قرار می گیرد. هرچند این روش تا اندازهای مشکل ذکر شده را حل می کند ولی مشکل دیگری در رشد لایه نازک به وجود می اید و آن در رفتگی های شبکه ای است که در لایه نازک ایجاد می گردد که ناشی از تنش موجود بین لایه و زیر لایه به دلیل اختلاف زیاد ثابت شبکه است .
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.