لایه های نازک و پودرهای تولیدی از تیتانات باریم- استرانسیم (1)
تیتانات باریم- استرانسیم
لایه های نازک مواد پیروالکتریک به دلیل خواص مغناطیسی جالب توجهی که دارند، امروزه کاربردهای فراوانی پیدا کرده اند. به خصوص از سال 1985 به بعد، به دلیل کاربرد مختلف آنها اهمیتشان افزایش
نویسنده: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
مقدمه
لایه های نازک مواد پیروالکتریک به دلیل خواص مغناطیسی جالب توجهی که دارند، امروزه کاربردهای فراوانی پیدا کرده اند. به خصوص از سال 1985 به بعد، به دلیل کاربرد مختلف آنها اهمیتشان افزایش یافته و راههای مختلفی برای لایه نشانی این دسته از مواد معرفی شده است. ساختار مواد پیروالکتریک به شدت خواص دی الکتریکی آن را تحت تأثیر قرار می دهد. برای کاربرد این لایه ها در ناحیه مایکروویو، اتلاف دی الکتریک پایین و تیون پذیری بالا، دو پارامتر موردنیاز برای بهینه شدن خواص لایه موردنظر است. انتخاب نسبت Ba / Sr در لایه های (BST) برای کاربرد در ناحیه مایکروویو، به دمایی که در آن دما لایه مودرنظر به کار گرفته می شود بستگی دارد. به علاوه دمای کوری نمونه های BST به طور خطی با درصد Sr که در ساختار باریم تیتانات قرار می گیرد، تغییر می کند. در بین نمونه های لایه نازک Ba_(1-x) Sr_x TiO_3، ترکیباتی که درصد x آن به صورت 0.4 ≤x≤0.6 تغییر می کند، مورد بررسی بسیار قرارگرفته و برای کاربرد دی الکتریکی در دمای اتاق مورد استفاده قرار می گیرند، چرا که دمای کوری آنها نیز نزدیک به دمای اتاق می باشد. برای به دست آمدن اتلاف دی الکتریک پایین و تیون پذیری بالا، لایه نازک پیروالکتریک باید به طور جهتمند بر روی موادی نظیر LAOو MgO که هم ثابت دی الکتریک پایین و هم اتلاف دی الکتریک پایین داشته باشند، رشد داده شوند. تیون پذیری بالا در مورد لایه هایی به دست می آید که رشد لایه به صورت هم صفحه با زیرلایه بوده و می نیمم تنش بین لایه و زیرلایه وجود داشته باشد.
به هرحال زمانی که پارامتر شبکه لایه و زیرلایه با یکدیگر هماهنگی نداشته و به یکدیگر نزدیک نباشد (به طور مثال در رشد لایه نازک BST بر روی زیرلایه MgO )، رشد جهتمند بسیار مشکل می گردد و در ضمن دررفتگیهای ساختاری زیادی نیز در ساختار لایه به وجود خواهد آمد.
ثابت دی الکتریک و تیون پذیری بالا و اتلاف دی الکتریک پایین در رشد جهتمند لایه های BST به روش PLD مشاهده شده است، که تأیید کننده بهبود خواص دی الکتریکی در رشد جهتمند این لایه ها برای کاربرد در ابزارهای مایکروویو که در دمای اتاق کار می کنند، خواهد بود. برای بهبود کیفیت رشد جهتمند لایه های BST باید یک سری فرآیندهای حرارتی بر روی لایه ها صورت گیرد. تحقیقات نشان می دهد که فرآیند حرارت دهی لایه های BST که بر روی زیرلایه های LAO لایه نشانی شده است، در دمای 900 درجه ی سانتیگراد به طور قابل ملاحظه ای تنش موجود در لایه ها را از بین خواهد برد و خواص دی الکتریکی آن را بهبود خواهد داد.
وارد کردن ناخالصی در ساختار لایه نیز تأثیر قابل ملاحظه ای بر روی خواص دی الکتریکی لایه های نازک BST خواهد داشت. حضور یونهایی نظیر آهن سه بار مثبت و منگنز دو بار و سه بار مثبت در ساختار لایه، سبب گیرافتادن الکترون شده و باعث می شوند که تهی جاهای اکسیژن و بار مؤثر منفی در ساختار لایه پدید آید. ولی حضور یونهایی نظیرتنگستن 6 بار مثبت در ساختار لایه، باعث کاهش تهی جاهای اکسیژن و افزایش تهی جاهای Ba و Sr و درنتیجه افزایش بار مؤثر مثبت می شوند. تحقیقات نشان می دهد که افزایش ناخالصی هایی نظیر آه دو بار مثبت ، منگنز بار مثبت ، منیزیم دو بار مثبت ،نیکل دو بار مثبت ولانتانیم بار مثبت به طور قابل ملاحظه ای اتلاف دی الکتریک لایه های BST را کاهش می دهد و درنتیجه کاهش اتلاف دی الکتریک، کاتیون پذیری لایه نیز کاهش می یابد.
در این مقاله به لایه نشانی مواد پیروالکتریک به خصوص BST به روشهای مختلف و بررسی خصوصیات آنها می پردازیم. در ابتدا روشهای مختلف لایه نشانی مواد پیروالکتریک به خصوص روش پالس لیزر و سل- ژل را بیان می کنیم و به اصول کاری لیزرهای اگزایمر و فرآیند تابش در آنها اشاره می کنیم. سپس پارامترهای مهم در لایه‌نشانی به روش سل- ژل از قبیل اثر استوکیومتری هدف بر خواص لایه‌ها، خصوصیات زیر‌لایه‌ها و اثرات آنها بر رشد جهتمند لایه‌ها را شرح خواهیم داد.
در لایه نشانی بخار شیمیائی فلز- آلی، ابتدا پودرهای آلی مواد اولیه و ترکیب دوکتانیت- فرار از Ti و Sr و Ba با لیگاند DPM به طور مجزا تبخیر و در محفظه های بخار مجزا نگهداری می شوند سپس با استفاده از مخلوط گاز آرگون به عنوان حمل کننده و گاز اکسیژن به عنوان واکنش دهنده برروی زیرلایهMgO با جهت بلوری (100) که در لوله نگهدارندة کوارتز قرار دارد، می نشیند. فشار گاز اکسیژن، ccm300 و فشار گاز آرگون، ccm500 است و زیرلایه نیز به طور مستقیم در دمای830 درجه ی سانیگراد قرار دارد. در این روش با فشار کلی torr15، سرعت لایه نشانی m/hμ 1 5/0 خواهد بود. در نهایت این فیلم با آهنگ ºC /min135 سرد می شود. طرح کلی این روش در شکل 1 رسم شده است.
در روش پالس لیزر، که مشابه روش کندوپاش است، کاتیونها با پرتو لیزر به طور مستقیم از هدف کنده شده و بر روی زیرلایه می نشینند، در این روش نیاز به استفاده از فشار بخار برای انجام واکنش نیست، و استفاده از پرتو لیزر شکل برگشت پذیری واکنش را حل می کند و زیرلایه هم در این روش آسیب نمی بیند. علاوه بر این در این روش سرعت لایه نشانی بسیار بالاتر از قبل است.
روشهای شیمیایی نظیر سل - ژل به طور موفقیت آمیزی در ساخت لایه های نازک BST مورد استفاده قرار گرفته اند. در لایه نشانی ترکیبات BST، هزینه و آهنگ لایه نشانی دو پارامتر بسیار مهم محسوب می شوند. روشهای غیرشیمیایی نظیر PLD به سیستمهای خلاء بالا نیاز دارند و بنابراین ساخت لایه با این روشها گرانتر از روشهای شیمیایی است. به علاوه آهنگ لایه نشانی در روشهای شیمیایی سریعتر از روشهای غیرشیمیایی است. برای ساخت مواد دی الکتریک، روش سل – ژل دارای مزیتهای عمده ای به شرح زیر است:
محصول دارای خلوص بسیار بالایی است.
محصول به دست آمده یکنواخت و همگن بوده و درصد ترکیبات واستوکیومتری آن نیز قابل کنترل است.
فرآیندها در دمای نسبتاً پایین صورت می گیرد و بنابراین برهم کنش با زیر لایه کمتر شده و از نظر هزینه نیز مقرون به صرفه تر است.
لایه ها را می توان با لایه نشانی اسپینی ساده و بدون نیاز به سیستمهای با خلاء بالا انجام داد.
زیرلایه های با سطح وسیع را می توان به سرعت پوشش داد.
اکنون دو روش لایه نشانی به روش پالس لیزر و لایه نشانی به روش سل – ژل را که اهمیت بیشتری دارند را بررسی می کنیم.
لیزرهای اگزایمر دسته‌ای از لیزرهای پالسی هستند که از طریق گذار الکترونی که درون مولکولها اتفاق می‌افتد، تابش می‌کنند. در این لیزرها غالباً ترکیبی از اتمهای گازهای نادر نظیر Ar، Kr وXe و اتمهای هالوژن نظیر F، Cl،Br و Iبه کار می رود. کلمه تهییج یافته (Excited) خلاصه شده عبارت «Excited dimer» است. این لیزرها در ناحیه طیفی فرابنفش تابش می کنند، گرچه بعضی از آنها در ناحیه مرئی نیز تابش دارند. در گروه لیزرهای اگزایمر XeF درnm 353، XeCl در nm 308، KrF در nm 248 وArF درnm 193 تابش می کنند. فشار کلی گاز لیزر اگزایمر، 2 اتمسفر است که در آن فشار جزئی گاز فلئور، torr10، گاز آرگون torr 30 و گاز هلیم torr 1400 است. در این لیزرها پهنای پالس لیزری نظیر Ar F،10 تا ns 50 و انرژی پالس آن در حدود J1ـ1/0 است و با فرکانس چند صد هرتز می تواند عمل کند.
ساختار داخلی این لیزرها به دلیل ماهیت خورنده بودن گازهای هالوژن از استیل ضد زنگ و پلی وینیل و تفلون ساخته می شود. فرآیند تحریک گاز لیزر از طریق تخلیه الکتریکی صورت می گیرد، بدین منظور از الکترودهای فلزی بلند که انحنای خاصی دارند، استفاده می شود. شکل خاص الکترودها باعث می شود تا در اثر اعمال ولتاژ، میدان الکتریکی یکنواختی در تمام فضای بین الکترودها تشکیل شده و گاز به طور یکنواخت تحریک شود. به منظور افزایش توان خروجی، در یک طرف محیط گازی آینه ای با ضریب انعکاس بالا و در طرف دیگر که خروجی لیزر است، کوارتز با ضریب انعکاس پایین قرار گرفته است.
تابش لیزرهای اگزایمر از طریق تحریک مولکولهای اگزایمر) XeCl , KrF , ArF و (XeF به وجود می آید. به عنوان مثال در لیزرKr F، محیط گازی لیزر شامل اتمهای گاز نادر کریپتون و مولکولهای فلوئور (2 F) است. زمانی که یک تخلیه الکتریکی یا پرتو الکترونی در این محیط ایجاد شود، اتمهای گاز نادر تحریک شده و یونیزه می شوند و Kr تولید می گردد. مولکولهای فلوئور نیز تجزیه شده و اتمهای F ایجاد می شوند. تعداد زیادی از اتمهای F سریعاً الکترون آزادی که از طریق یونیزه شدن Kr ایجاد شده را جذب می کنند تا آنیونهای F^- تشکیل شود. بنابراین مولکولهای برانگیخته KrF از طریق برخورد یون های Kr و F در محیط گازی بر طبق واکنش های زیر تشکیل می شوند :
سپس مولکولهای برانگیخته *KrF از طریق فرآیند گسیل خود به خودی تابش کرده و به حالت پایه KrF تبدیل می گردد که بلافاصله تجزیه شده و اتمهای Kr وF تولید می شوند و این فرآیند زمانی که پالس دیگری از الکترونها در محیط ایجاد شود، مجدداً تکرار می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع:راسخون
مقدمه
لایه های نازک مواد پیروالکتریک به دلیل خواص مغناطیسی جالب توجهی که دارند، امروزه کاربردهای فراوانی پیدا کرده اند. به خصوص از سال 1985 به بعد، به دلیل کاربرد مختلف آنها اهمیتشان افزایش یافته و راههای مختلفی برای لایه نشانی این دسته از مواد معرفی شده است. ساختار مواد پیروالکتریک به شدت خواص دی الکتریکی آن را تحت تأثیر قرار می دهد. برای کاربرد این لایه ها در ناحیه مایکروویو، اتلاف دی الکتریک پایین و تیون پذیری بالا، دو پارامتر موردنیاز برای بهینه شدن خواص لایه موردنظر است. انتخاب نسبت Ba / Sr در لایه های (BST) برای کاربرد در ناحیه مایکروویو، به دمایی که در آن دما لایه مودرنظر به کار گرفته می شود بستگی دارد. به علاوه دمای کوری نمونه های BST به طور خطی با درصد Sr که در ساختار باریم تیتانات قرار می گیرد، تغییر می کند. در بین نمونه های لایه نازک Ba_(1-x) Sr_x TiO_3، ترکیباتی که درصد x آن به صورت 0.4 ≤x≤0.6 تغییر می کند، مورد بررسی بسیار قرارگرفته و برای کاربرد دی الکتریکی در دمای اتاق مورد استفاده قرار می گیرند، چرا که دمای کوری آنها نیز نزدیک به دمای اتاق می باشد. برای به دست آمدن اتلاف دی الکتریک پایین و تیون پذیری بالا، لایه نازک پیروالکتریک باید به طور جهتمند بر روی موادی نظیر LAOو MgO که هم ثابت دی الکتریک پایین و هم اتلاف دی الکتریک پایین داشته باشند، رشد داده شوند. تیون پذیری بالا در مورد لایه هایی به دست می آید که رشد لایه به صورت هم صفحه با زیرلایه بوده و می نیمم تنش بین لایه و زیرلایه وجود داشته باشد.
به هرحال زمانی که پارامتر شبکه لایه و زیرلایه با یکدیگر هماهنگی نداشته و به یکدیگر نزدیک نباشد (به طور مثال در رشد لایه نازک BST بر روی زیرلایه MgO )، رشد جهتمند بسیار مشکل می گردد و در ضمن دررفتگیهای ساختاری زیادی نیز در ساختار لایه به وجود خواهد آمد.
ثابت دی الکتریک و تیون پذیری بالا و اتلاف دی الکتریک پایین در رشد جهتمند لایه های BST به روش PLD مشاهده شده است، که تأیید کننده بهبود خواص دی الکتریکی در رشد جهتمند این لایه ها برای کاربرد در ابزارهای مایکروویو که در دمای اتاق کار می کنند، خواهد بود. برای بهبود کیفیت رشد جهتمند لایه های BST باید یک سری فرآیندهای حرارتی بر روی لایه ها صورت گیرد. تحقیقات نشان می دهد که فرآیند حرارت دهی لایه های BST که بر روی زیرلایه های LAO لایه نشانی شده است، در دمای 900 درجه ی سانتیگراد به طور قابل ملاحظه ای تنش موجود در لایه ها را از بین خواهد برد و خواص دی الکتریکی آن را بهبود خواهد داد.
وارد کردن ناخالصی در ساختار لایه نیز تأثیر قابل ملاحظه ای بر روی خواص دی الکتریکی لایه های نازک BST خواهد داشت. حضور یونهایی نظیر آهن سه بار مثبت و منگنز دو بار و سه بار مثبت در ساختار لایه، سبب گیرافتادن الکترون شده و باعث می شوند که تهی جاهای اکسیژن و بار مؤثر منفی در ساختار لایه پدید آید. ولی حضور یونهایی نظیرتنگستن 6 بار مثبت در ساختار لایه، باعث کاهش تهی جاهای اکسیژن و افزایش تهی جاهای Ba و Sr و درنتیجه افزایش بار مؤثر مثبت می شوند. تحقیقات نشان می دهد که افزایش ناخالصی هایی نظیر آه دو بار مثبت ، منگنز بار مثبت ، منیزیم دو بار مثبت ،نیکل دو بار مثبت ولانتانیم بار مثبت به طور قابل ملاحظه ای اتلاف دی الکتریک لایه های BST را کاهش می دهد و درنتیجه کاهش اتلاف دی الکتریک، کاتیون پذیری لایه نیز کاهش می یابد.
در این مقاله به لایه نشانی مواد پیروالکتریک به خصوص BST به روشهای مختلف و بررسی خصوصیات آنها می پردازیم. در ابتدا روشهای مختلف لایه نشانی مواد پیروالکتریک به خصوص روش پالس لیزر و سل- ژل را بیان می کنیم و به اصول کاری لیزرهای اگزایمر و فرآیند تابش در آنها اشاره می کنیم. سپس پارامترهای مهم در لایه‌نشانی به روش سل- ژل از قبیل اثر استوکیومتری هدف بر خواص لایه‌ها، خصوصیات زیر‌لایه‌ها و اثرات آنها بر رشد جهتمند لایه‌ها را شرح خواهیم داد.
روشهای ساخت لایه نازک مواد پیروالکتریک
برای ساخت لایه های نازک BST، روشهای متنوعی نظیر لایه نشانی به روش بخار شیمیائی فلز- آلی (MOCVD) ، لایه نشانی با روش های تجزیة فلز- آلی، تجزیة حلال شیمیائی، کندوپاشRF ، روش پالس لیزر (PLD) و همچنین روش سل- ژل انجام می شود.در لایه نشانی بخار شیمیائی فلز- آلی، ابتدا پودرهای آلی مواد اولیه و ترکیب دوکتانیت- فرار از Ti و Sr و Ba با لیگاند DPM به طور مجزا تبخیر و در محفظه های بخار مجزا نگهداری می شوند سپس با استفاده از مخلوط گاز آرگون به عنوان حمل کننده و گاز اکسیژن به عنوان واکنش دهنده برروی زیرلایهMgO با جهت بلوری (100) که در لوله نگهدارندة کوارتز قرار دارد، می نشیند. فشار گاز اکسیژن، ccm300 و فشار گاز آرگون، ccm500 است و زیرلایه نیز به طور مستقیم در دمای830 درجه ی سانیگراد قرار دارد. در این روش با فشار کلی torr15، سرعت لایه نشانی m/hμ 1 5/0 خواهد بود. در نهایت این فیلم با آهنگ ºC /min135 سرد می شود. طرح کلی این روش در شکل 1 رسم شده است.
در روش پالس لیزر، که مشابه روش کندوپاش است، کاتیونها با پرتو لیزر به طور مستقیم از هدف کنده شده و بر روی زیرلایه می نشینند، در این روش نیاز به استفاده از فشار بخار برای انجام واکنش نیست، و استفاده از پرتو لیزر شکل برگشت پذیری واکنش را حل می کند و زیرلایه هم در این روش آسیب نمی بیند. علاوه بر این در این روش سرعت لایه نشانی بسیار بالاتر از قبل است.
روشهای شیمیایی نظیر سل - ژل به طور موفقیت آمیزی در ساخت لایه های نازک BST مورد استفاده قرار گرفته اند. در لایه نشانی ترکیبات BST، هزینه و آهنگ لایه نشانی دو پارامتر بسیار مهم محسوب می شوند. روشهای غیرشیمیایی نظیر PLD به سیستمهای خلاء بالا نیاز دارند و بنابراین ساخت لایه با این روشها گرانتر از روشهای شیمیایی است. به علاوه آهنگ لایه نشانی در روشهای شیمیایی سریعتر از روشهای غیرشیمیایی است. برای ساخت مواد دی الکتریک، روش سل – ژل دارای مزیتهای عمده ای به شرح زیر است:
محصول دارای خلوص بسیار بالایی است.
محصول به دست آمده یکنواخت و همگن بوده و درصد ترکیبات واستوکیومتری آن نیز قابل کنترل است.
فرآیندها در دمای نسبتاً پایین صورت می گیرد و بنابراین برهم کنش با زیر لایه کمتر شده و از نظر هزینه نیز مقرون به صرفه تر است.
لایه ها را می توان با لایه نشانی اسپینی ساده و بدون نیاز به سیستمهای با خلاء بالا انجام داد.
زیرلایه های با سطح وسیع را می توان به سرعت پوشش داد.
اکنون دو روش لایه نشانی به روش پالس لیزر و لایه نشانی به روش سل – ژل را که اهمیت بیشتری دارند را بررسی می کنیم.
لایه نشانی به روش پالس لیزر
فرآیند تابش لیزر اگزایمرلیزرهای اگزایمر دسته‌ای از لیزرهای پالسی هستند که از طریق گذار الکترونی که درون مولکولها اتفاق می‌افتد، تابش می‌کنند. در این لیزرها غالباً ترکیبی از اتمهای گازهای نادر نظیر Ar، Kr وXe و اتمهای هالوژن نظیر F، Cl،Br و Iبه کار می رود. کلمه تهییج یافته (Excited) خلاصه شده عبارت «Excited dimer» است. این لیزرها در ناحیه طیفی فرابنفش تابش می کنند، گرچه بعضی از آنها در ناحیه مرئی نیز تابش دارند. در گروه لیزرهای اگزایمر XeF درnm 353، XeCl در nm 308، KrF در nm 248 وArF درnm 193 تابش می کنند. فشار کلی گاز لیزر اگزایمر، 2 اتمسفر است که در آن فشار جزئی گاز فلئور، torr10، گاز آرگون torr 30 و گاز هلیم torr 1400 است. در این لیزرها پهنای پالس لیزری نظیر Ar F،10 تا ns 50 و انرژی پالس آن در حدود J1ـ1/0 است و با فرکانس چند صد هرتز می تواند عمل کند.
ساختار داخلی این لیزرها به دلیل ماهیت خورنده بودن گازهای هالوژن از استیل ضد زنگ و پلی وینیل و تفلون ساخته می شود. فرآیند تحریک گاز لیزر از طریق تخلیه الکتریکی صورت می گیرد، بدین منظور از الکترودهای فلزی بلند که انحنای خاصی دارند، استفاده می شود. شکل خاص الکترودها باعث می شود تا در اثر اعمال ولتاژ، میدان الکتریکی یکنواختی در تمام فضای بین الکترودها تشکیل شده و گاز به طور یکنواخت تحریک شود. به منظور افزایش توان خروجی، در یک طرف محیط گازی آینه ای با ضریب انعکاس بالا و در طرف دیگر که خروجی لیزر است، کوارتز با ضریب انعکاس پایین قرار گرفته است.
تابش لیزرهای اگزایمر از طریق تحریک مولکولهای اگزایمر) XeCl , KrF , ArF و (XeF به وجود می آید. به عنوان مثال در لیزرKr F، محیط گازی لیزر شامل اتمهای گاز نادر کریپتون و مولکولهای فلوئور (2 F) است. زمانی که یک تخلیه الکتریکی یا پرتو الکترونی در این محیط ایجاد شود، اتمهای گاز نادر تحریک شده و یونیزه می شوند و Kr تولید می گردد. مولکولهای فلوئور نیز تجزیه شده و اتمهای F ایجاد می شوند. تعداد زیادی از اتمهای F سریعاً الکترون آزادی که از طریق یونیزه شدن Kr ایجاد شده را جذب می کنند تا آنیونهای F^- تشکیل شود. بنابراین مولکولهای برانگیخته KrF از طریق برخورد یون های Kr و F در محیط گازی بر طبق واکنش های زیر تشکیل می شوند :
سپس مولکولهای برانگیخته *KrF از طریق فرآیند گسیل خود به خودی تابش کرده و به حالت پایه KrF تبدیل می گردد که بلافاصله تجزیه شده و اتمهای Kr وF تولید می شوند و این فرآیند زمانی که پالس دیگری از الکترونها در محیط ایجاد شود، مجدداً تکرار می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
مقالات مرتبط
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}