نویسنده: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
رفتار پسماند الکتریکی لایه های BST برحسب درصد استوکیومتری و دمای اندازه گیری تغییر می کند. شکل 1 منحنی های پسماند الکتریکی P-E را در مورد لایه های Ba_0.7 Sr_0.3 TiO_3 در دماهای متفاوت نشان می دهد. به علاوه رفتار ثابت دی الکتریک نیز در مورد این لایه‌ها برحسب دما در فرکانسهای مختلف اندازه گیری شده است. شکل 2 چگونگی این تغییرات را نشان می دهد. برطبق این شکل، هیچگونه پیکی در رفتار دی الکتریک لایه، در محدوده دمایی 160 – 0 ، مشاهده نمی‌شود و در دمای 25 ثابت دی الکتریک مقدار ماگزیمم خود را دارد.
شکلهای3 و 4 چگونگی تغییرات ثابت دی الکتریک 〖(ε〗_r) و فاکتور تلفات لایه‌های نازک Ba_0.65 Sr_0.35 TiO_3 را که با روش سل – ژل بر روی زیرلایه Pt / MgOلایه نشانی شده است، برحسب فرکانس و دما نشان می‌دهند. مطابق شکل 3 مقدار ثابت دی‌الکتریک و فاکتور تلفات برای لایه های BST در فرکانس kHz 100 به ترتیب 480 و 02/0 است. این مقادیر نشان می دهند که هیچ پاشندگی قابل ملاحظه ای تا فرکانسهای در حدود kHz 100 نخواهیم داشت و این بیانگر کیفیت خوب لایه های BST است که با فرآیند لایه نشانی اسپینی تهیه شده اند. بالاتر از فرکانس kHz100 ، ثابت دی الکتریک شروع به کاهش و فاکتور تلفات شروع به افزایش می کند.
شکل 4 نمودارهایε_r-T و را در ناحیه دمایی 50- تا 100 نشان می‌دهد. زمانی که دما از 50- تا 20 افزایش می یابد، ثابت دی الکتریک لایه به آرامی از 358 تا 450 تغییر می کند. هنگامی که دما بیشتر می شود پیک مربوط به ثابت دی الکتریک در دمای 35 ظاهر می‌شود. تیز بودن این پیک نشان می دهد که لایه های BST ، گذار کوری در نزدیکی دمای اتاق دارند. فاکتور تلفات نیز در ناحیه دمایی 50- تا 100 کمتر از 5% است و در حدود دمای 50 ، به مقدار بیشینه خود می رسد. تفاوت دمایی نسبتاً زیاد بین پیک نمودار و از خواص نوعی مواد پیروالکتریک است. اندازه گیریهای مشابهی بر روی خواص الکتریکی لایه‌های BST توسط سایر منابع گزارش شده است.
وایپینگ و همکاران لایه های فرو الکتریک مختلف Rm300-25 را بررسی کرده‌اند. مشخص شد که لایه های Bila Ti در رسانش الکتریکی سه لایه ای بسیار موثر هستند. ترکیب این ساختار سه لایه ای به صورت BilaTi(25nm)/NiBiBaTa(300nm)/BiLaTi(25nm) است.
این ساختار سه لایه ای دارای خواص پیرو الکتریک، و دی الکتریک بسیار خوبی هستند. قطبش پسماند Mc⁄cm^2 16 و ضریب پیرو الکتریک 〖4.8 ×〖10〗^(-4) cm〗^(-4) K^(-1) مشاهده شد (شکل 5 و 6).
جینگ و همکارانش از روش تابع گرین فرمی برای مطالعه خواص پیرو الکتریک لایه های نازک مواد فرو الکتریک استفاده کرده اند که بر اساس روش ایزینگ تغییر یافته است و به این نتیجه رسیده اند که کاهش ابعاد عرضی لایه اثر نامطلوبی بر روی خواص پیرو الکتریک لایه های نازک خواهد داشت (شکل 7).
لوسگو و دیگران لایه های نازک bst را بر روی زیر لایه های GaN به روش ترکیب روشهای کندو پاش و cvd تولید کرده اند. نتایج آزمایشها نشان می دهد که با دمای زیر لایه ˚c650 لایه های نازک BST به صورت اپیتکسی روی GaN با جهت گیری }111{ رشد می کنند و دارای خواص بین لایه ای بسیار خوبی هستند. باز پخت تا دمای ˚c 900 نشان می‌دهد که هیچ بر همکنشی بین لایه ای و نفوذ صورت نمی گیرد. این تحقیق بیان می‌کند که مواد اکسیدی همانند BST را می توان با کیفیت بسیار مناسب روی زیر لایه های نیم رسانای گاف پهنی همانند GaN لایه نشانی کرد و دمای بازپخت را تا چند صد درجه افزایش داد بدون اینکه خواص بین لایه‌ای نامطلوبی ایجاد گردد (شکل 8).
تانگ و همکارانش BST آلائیده شده با Mg را بر روی زیر لایه‌های pt/Ti/sio2/si لایه نشانی کرده اند و در دمای c˚650 و ˚c700 و ˚c750 آنیل کرده اند و خواص دی الکتریک آن را اندازه گیری کرده اند. نتایج نشان می‌دهد که آلایش با Mg باعث بهبود خاصیت نشت جریان در لایه‌های نازک BST می شود (شکل 9).
هو و همکارانش لایه نازک فرو الکتریک BST را بر روی زیر لایه pt/ti/sio2/si به روش اسپاترینگ تولید کرده اند. AFM و اندازه گیری های الکتریکی در شکل های زیرآمده است (شکل 10).
با بازپخت در دماهای مختلف دانه های کوچک و همگن (nm80) تولید شده است. اندازه گیریهای الکتریکی نشان می دهد لایه های آنیل شده در ˚c650 دارای ثابت دی الکتریک بالاتر و تانژانت تلفات کم، نشت جریان پایین و ولتاژ شکست بالاتری هستند. قطبش پسماند و میدان بازدارنده Me⁄cm^2 1/4 و kv/cm 9/60 هستند. این مقادیر برای کاربردهای مادون قرمز مناسب هستند (شکل 11).
سینینگ و دیگران خواص دی الکتریک و فرو الکتریک BST الائیده شده با ca را بررسی کرده اند. دمای گذار پایین از بین رفته است و دمای گذار بالا واهلش پیدا کرده است. با افزایش ca میزان بیشینه ثابت دی الکتریک کاهش پیدا کرده است و دمای این مقدار بیشینه تغییر می یابد.
اسکار سیورنو و همکارانش BST را به روش معمول حالت جامد تولید کرده اند سپس از این نمونه حجمی به عنوان هدف برای لایه نشانی استفاده کرده اند. روش لایه نشانی آنها روش PLD (شکل 13) بوده است. لایه های نازک BST به ضخامت 400 تا 500 نانو متر روی زیر لایه آلومینا رشد داده شده است. و در دمای ˚c 800 آنیل شده است. گذار فاز پارا الکتریک- فرو الکتریک در دمای Te=-72˚c برای لایه های نازک BST مشاهده شده است (شکل 12).
نانوذرات و لایه های پیروالکتریک برای کاربرد در سنسورهای IR
اثر پیروالکتریک، تغییردر گشتاور دوقطبی الکتریکی یک دی الکتریک قطبیده، در اثر تغییر در دمای آن است. درنتیجه جریانی را می توان در مدار خارجی متصل به این چنین قطعه دی‌الکتریک، آشکارسازی کرده و بنابراین تغییرات دمایی نمونه را سنجید. این اثر از سالهای پیش شناخته شده و هم اکنون از آن به طور گسترده برای آشکارسازی تابش در دو ناحیه از طیف IR یعنی 5-3 و 14-8 استفاده می شود. ناحیه دمایی محیطی برای استفاده از سنسورهای پیروالکتریک، مهمترین مزیت آنها در مقایسه با سنسورهای فوتونی خنک شده نظیر تلوراید کادمیوم جیوه و آنتیموناید ایندیم است. سنسورهای پیروالکتریک، کاربردهای گسترده ای در هشداردهنده های آتش، آنالیز گاز، تصویردهی گرمایی و غیره دارند. این سنسورها برحسب ناحیه کاری در ناحیه مرئی تا IR و طول موجهای میلیمتر و زیرمیلیمتر کاربرد دارند. همچنین از این سنسورها در فرکانسهای مدولاسیون تابش از چند هرتز تا چندین گیگا هرتز استفاده می شوند.
ثابت پیروالکتریک، برداری نظیر است که برابر با آهنگ تغییرات قطبش خود به خودی نسبت به آهنگ تغییرات دمایی T است.
شکل 14 نمایی از چگونگی کار سنسور پیروالکتریک IR را نشان می دهد. این سنسور شامل یک لایه از ماده پیروالکتریک به عنوان الکترود است که مؤلفه P از بردار قطبش ، عمود بر الکترود قرار گرفته است و الکترود دارای سطح A است. بارهای درون پیروالکتریک که در اثر تغییر در دمای آن تولید می شوند به صورت یک جریان ip می تواند آشکارسازی شده و در یک مدارخارجی متصل به آن جریان یابد که مقدار آن از رابطه زیر بدست می‌آید:
که بیانگر آهنگ تغییر دمای پیروالکتریک با زمان است. بنابراین ابزارهای ساخته شده براساس خاصیت پیروالکتریک، نسبت به تغییرات هرگونه شار انرژی ورودی که تغییر در دمای پیروالکتریک ایجاد کند، کوبل شده اند. بیشترین اثر پیروالکتریک در گروهی از مواد دی‌الکتریک قطبش پذیر که به فروالکتریک معروفند، مشاهده شده است. مزیت عمده این مواد دراین است که از آنها می توان به شکل پلی کریستال (بسبلور) استفاده کرد، چرا که در این حالت می توانند به طور الکتریکی قطبیده شوند و درنتیجه قطبش خود به خودی خالص و بنابراین اثر پیروالکتریک خالص در کل ماده از خود تولید کنند.
براساس مکانیزم آشکارسازی IR، سنسورهای IR به دو گروه عمده تقسیم بندی می‌شوند. سنسورهایی که نیاز به خنک شدن دارند و گروهی که نیاز به خنک شدن ندارند. اکثر سنسورهای IR که نیاز به خنک شدن دارند، سنسورهای فوتونی هستند و موادی که برای ساخت آنها مورد استفاده قرار می گیرند، نیمه هادیهایی با گاف انرژی در محدوده IR هستند. از مهمترین سنسورهای فوتونی، تلوراید کادمیوم جیوه (MCT) و ترکیبات ابر شبکه‌ای نیمه هادی گروه های III-V نظیر GaAs/AlGaAs هستند. سنسورهای فوتونی به یک سیستم خنک کننده نیاز دارند تا بتوانند در دمایی که آشکارسازی را انجام می‌دهند عمل کنند. سیستم خنک کننده، باعث افزایش اندازه و وزن سنسورهای فوتونی شده و به علاوه سیستم‌های خنک کننده مختلف نیز ناحیه دمایی مخصوص به خود را در سردکردن دارند و بنابراین محدودیتهایی را برای این سنسورها ایجاد می کنند.
درمقابل، سنسورهای IR که نیاز به سیستم خنک کننده ندارند قرار گرفته اند که براساس خاصیت پیروالکتریک که در مواد فروالکتریک پروسکایتی وجود دارد، ساخته می‌شوند. استفاده از این مواد، اهمیت ویژه ای به خاطر کاربرد در سنسورهای پیروالکتریک و ابزارهای تصویردهی گرمایی دارد، چرا که این مواد توانایی استفاده در دمای محیط را داشته و بنابراین به سیستم های خنک کننده گران قیمت، نیاز ندارند.
مهمترین موادی که برای ساخت سنسورهای پیروالکتریک استفاده می شود، شامل موادی نظیر باریم استرانسیوم تیتانات (BST) ، تیتانات سرب (PT)، تیتانات سرب لانتانیوم (PLT) و تیتانات سرب زیرکونیوم(PZT) وتک بلور تیتانات لیتیم هستند.
این دسته از مواد فروالکتریک، دارای خصوصیاتی هستند که اهمیت آنها را برای کاربرد در سنسورهای پیروالکتریک افزایش داده است. این خصوصیات عبارتند از:
ثابت دی الکتریک بالا؛
ثابت پیروالکتریک بالا و جفت شدگی الکتروشیمیایی؛
اتلاف دی الکتریک پایین؛
مقاومت الکتریکی بالا؛
غیرحساس بودن به رطوبت؛
ضریب پیروالکتریک بالا؛
سختی درحد متوسط.
استفاده از این مواد به شکاف بالک، یک سری مشکلاتی نظیر اشکال در اتصال به مدار، اندازه بزرگ و ولتاژکاری بالا را دارند. بنابراین استفاده از این مواد پیروالکتریک به شکل لایه نازک، این مشکلات را از بین خواهد برد.
به عنوان مثال، استفاده از لایه نازک فروالکتریک در سنسورهای پیروالکتریک سبب می‌شود که گرمای ویژه ماده مورد نظر کاهش یافته و حساسیت بالا رود و درنتیجه سرعت پاسخگویی ماده افزایش یابد.
بنابراین لایه نازک این مواد در مقایسه با بالک آنها مزایای زیر را دارد:
گرمای ویژه کوچکتر و حساسیت بالاتر
سرعت پاسخگویی بیشتر
هزینه کمتر و بازدهی بیشتر
سنسورهای IR فروالکتریک که با لایه نازک ساخته می شوند، یک ساختار چندلایه ای شامل یک لایه در بالا و دیگری در پایین به عنوان الکترود، لایه نازک فروالکتریک فعال و لایه واسطه است.
هم اکنون BST 60/40 و PZT 50/50 از مهمترین مواد برای ساخت سنسورهای پیروالکتریک هستند، چراکه این ترکیبات، سرعت پاسخگویی نسبتاً بالایی در دمای اتاق دارند. دلیل این خاصیت در این است که 40 /60 BST یک گذار پاراالکتریک – فروالکتریک در دمای اتاق از خود نشان می دهد. به طور مشابه آلایش 50 /50 PZT با عناصری نظیر Nb، Ta و La ، گذار فاز پاراالکتریک – فروالکتریک این ماده را نزدیک به دمای اتاق آورده و بنابراین هر دو ماده یک پاسخ پیروالکتریک غیرخطی در دمای اتاق خواهند داشت. از طرف دیگر، ترکیبات BST می تواند جایگزین ترکیباتی با همین کاربرد که در ساختار خود سرب دارند، شود و بنابراین از آلودگی محیطی نیز جلوگیری گردد.
مقالات فراوانی وجود دارند که درآنها استفاده از ترکیبات BST به صورت لایه نازک برای کاربرد در سنسورهای IR تأکید شده و خواص ساختاری و الکتریکی مورد نظر برای این گونه کاربردها، مورد بررسی قرار گرفته است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع:راسخون
رفتار پسماند الکتریکی لایه های BST برحسب درصد استوکیومتری و دمای اندازه گیری تغییر می کند. شکل 1 منحنی های پسماند الکتریکی P-E را در مورد لایه های Ba_0.7 Sr_0.3 TiO_3 در دماهای متفاوت نشان می دهد. به علاوه رفتار ثابت دی الکتریک نیز در مورد این لایه‌ها برحسب دما در فرکانسهای مختلف اندازه گیری شده است. شکل 2 چگونگی این تغییرات را نشان می دهد. برطبق این شکل، هیچگونه پیکی در رفتار دی الکتریک لایه، در محدوده دمایی 160 – 0 ، مشاهده نمی‌شود و در دمای 25 ثابت دی الکتریک مقدار ماگزیمم خود را دارد.
وایپینگ و همکاران لایه های فرو الکتریک مختلف Rm300-25 را بررسی کرده‌اند. مشخص شد که لایه های Bila Ti در رسانش الکتریکی سه لایه ای بسیار موثر هستند. ترکیب این ساختار سه لایه ای به صورت BilaTi(25nm)/NiBiBaTa(300nm)/BiLaTi(25nm) است.
این ساختار سه لایه ای دارای خواص پیرو الکتریک، و دی الکتریک بسیار خوبی هستند. قطبش پسماند Mc⁄cm^2 16 و ضریب پیرو الکتریک 〖4.8 ×〖10〗^(-4) cm〗^(-4) K^(-1) مشاهده شد (شکل 5 و 6).
اسکار سیورنو و همکارانش BST را به روش معمول حالت جامد تولید کرده اند سپس از این نمونه حجمی به عنوان هدف برای لایه نشانی استفاده کرده اند. روش لایه نشانی آنها روش PLD (شکل 13) بوده است. لایه های نازک BST به ضخامت 400 تا 500 نانو متر روی زیر لایه آلومینا رشد داده شده است. و در دمای ˚c 800 آنیل شده است. گذار فاز پارا الکتریک- فرو الکتریک در دمای Te=-72˚c برای لایه های نازک BST مشاهده شده است (شکل 12).
اثر پیروالکتریک، تغییردر گشتاور دوقطبی الکتریکی یک دی الکتریک قطبیده، در اثر تغییر در دمای آن است. درنتیجه جریانی را می توان در مدار خارجی متصل به این چنین قطعه دی‌الکتریک، آشکارسازی کرده و بنابراین تغییرات دمایی نمونه را سنجید. این اثر از سالهای پیش شناخته شده و هم اکنون از آن به طور گسترده برای آشکارسازی تابش در دو ناحیه از طیف IR یعنی 5-3 و 14-8 استفاده می شود. ناحیه دمایی محیطی برای استفاده از سنسورهای پیروالکتریک، مهمترین مزیت آنها در مقایسه با سنسورهای فوتونی خنک شده نظیر تلوراید کادمیوم جیوه و آنتیموناید ایندیم است. سنسورهای پیروالکتریک، کاربردهای گسترده ای در هشداردهنده های آتش، آنالیز گاز، تصویردهی گرمایی و غیره دارند. این سنسورها برحسب ناحیه کاری در ناحیه مرئی تا IR و طول موجهای میلیمتر و زیرمیلیمتر کاربرد دارند. همچنین از این سنسورها در فرکانسهای مدولاسیون تابش از چند هرتز تا چندین گیگا هرتز استفاده می شوند.
شکل 14 نمایی از چگونگی کار سنسور پیروالکتریک IR را نشان می دهد. این سنسور شامل یک لایه از ماده پیروالکتریک به عنوان الکترود است که مؤلفه P از بردار قطبش ، عمود بر الکترود قرار گرفته است و الکترود دارای سطح A است. بارهای درون پیروالکتریک که در اثر تغییر در دمای آن تولید می شوند به صورت یک جریان ip می تواند آشکارسازی شده و در یک مدارخارجی متصل به آن جریان یابد که مقدار آن از رابطه زیر بدست می‌آید:
که بیانگر آهنگ تغییر دمای پیروالکتریک با زمان است. بنابراین ابزارهای ساخته شده براساس خاصیت پیروالکتریک، نسبت به تغییرات هرگونه شار انرژی ورودی که تغییر در دمای پیروالکتریک ایجاد کند، کوبل شده اند. بیشترین اثر پیروالکتریک در گروهی از مواد دی‌الکتریک قطبش پذیر که به فروالکتریک معروفند، مشاهده شده است. مزیت عمده این مواد دراین است که از آنها می توان به شکل پلی کریستال (بسبلور) استفاده کرد، چرا که در این حالت می توانند به طور الکتریکی قطبیده شوند و درنتیجه قطبش خود به خودی خالص و بنابراین اثر پیروالکتریک خالص در کل ماده از خود تولید کنند.
درمقابل، سنسورهای IR که نیاز به سیستم خنک کننده ندارند قرار گرفته اند که براساس خاصیت پیروالکتریک که در مواد فروالکتریک پروسکایتی وجود دارد، ساخته می‌شوند. استفاده از این مواد، اهمیت ویژه ای به خاطر کاربرد در سنسورهای پیروالکتریک و ابزارهای تصویردهی گرمایی دارد، چرا که این مواد توانایی استفاده در دمای محیط را داشته و بنابراین به سیستم های خنک کننده گران قیمت، نیاز ندارند.
مهمترین موادی که برای ساخت سنسورهای پیروالکتریک استفاده می شود، شامل موادی نظیر باریم استرانسیوم تیتانات (BST) ، تیتانات سرب (PT)، تیتانات سرب لانتانیوم (PLT) و تیتانات سرب زیرکونیوم(PZT) وتک بلور تیتانات لیتیم هستند.
این دسته از مواد فروالکتریک، دارای خصوصیاتی هستند که اهمیت آنها را برای کاربرد در سنسورهای پیروالکتریک افزایش داده است. این خصوصیات عبارتند از:
ثابت دی الکتریک بالا؛
ثابت پیروالکتریک بالا و جفت شدگی الکتروشیمیایی؛
اتلاف دی الکتریک پایین؛
مقاومت الکتریکی بالا؛
غیرحساس بودن به رطوبت؛
ضریب پیروالکتریک بالا؛
سختی درحد متوسط.
استفاده از این مواد به شکاف بالک، یک سری مشکلاتی نظیر اشکال در اتصال به مدار، اندازه بزرگ و ولتاژکاری بالا را دارند. بنابراین استفاده از این مواد پیروالکتریک به شکل لایه نازک، این مشکلات را از بین خواهد برد.
به عنوان مثال، استفاده از لایه نازک فروالکتریک در سنسورهای پیروالکتریک سبب می‌شود که گرمای ویژه ماده مورد نظر کاهش یافته و حساسیت بالا رود و درنتیجه سرعت پاسخگویی ماده افزایش یابد.
بنابراین لایه نازک این مواد در مقایسه با بالک آنها مزایای زیر را دارد:
گرمای ویژه کوچکتر و حساسیت بالاتر
سرعت پاسخگویی بیشتر
هزینه کمتر و بازدهی بیشتر
هم اکنون BST 60/40 و PZT 50/50 از مهمترین مواد برای ساخت سنسورهای پیروالکتریک هستند، چراکه این ترکیبات، سرعت پاسخگویی نسبتاً بالایی در دمای اتاق دارند. دلیل این خاصیت در این است که 40 /60 BST یک گذار پاراالکتریک – فروالکتریک در دمای اتاق از خود نشان می دهد. به طور مشابه آلایش 50 /50 PZT با عناصری نظیر Nb، Ta و La ، گذار فاز پاراالکتریک – فروالکتریک این ماده را نزدیک به دمای اتاق آورده و بنابراین هر دو ماده یک پاسخ پیروالکتریک غیرخطی در دمای اتاق خواهند داشت. از طرف دیگر، ترکیبات BST می تواند جایگزین ترکیباتی با همین کاربرد که در ساختار خود سرب دارند، شود و بنابراین از آلودگی محیطی نیز جلوگیری گردد.
مقالات فراوانی وجود دارند که درآنها استفاده از ترکیبات BST به صورت لایه نازک برای کاربرد در سنسورهای IR تأکید شده و خواص ساختاری و الکتریکی مورد نظر برای این گونه کاربردها، مورد بررسی قرار گرفته است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
