آنالیز و بررسی ساختار لایه‌های نازک

چکیده
بررسی و آنالیز خواص نانو ساختارها بخش مهمی از علم نانو را تشکیل می‌دهد. استفاده از اشعه ایکس برای پی بردن به خواص کریستالی لایه‌های نازک (لایه‌هایی با قطر چندین نانومتر) مرسوم است. از این روش می‌توان برای اندازه‌گیری میانگین فواصل بین لایه‌ها یا سری‌های اتم، تعیین موقعیت تک بلور یا دانه و ترتیب اتم‌ها، فهمیدن ساختار کریستالی مواد ناشناخته، تعیین مشخصات ساختاری شامل: پارامتر شبکه، اندازه و شکل دانه، کرنش، ترکیب فاز و تنش داخلی مناطق کریستالی کوچک، تشخیص فازهای کریستالی و موقعیت آن‌ها استفاده کرد.
تعداد کلمات1000 زمان مطتلعه 5 دقیقه

رضیه برجیان

مقدمه

نانو ساختارها را می‌توان به چند دسته عمده تقسیم کرد: نانو ذرات، نانو ساختارهای متخلخل، نانو خوشه‌ها، نانو ساختارهای آلی، نانو الیاف، نانو کامپوزیت‌ها، لایه‌های نازک، نانوساختارهای مغناطیسی. برای بررسی نانو ساختارها از روش‌های متفاوتی استفاده می‌شود. برای آنالیز و بررسی خواص لایه‌های نازک تکنیک‌های زیادی وجود دارد که می‌توان آن‌ها را به سه دسته کلی تقسیم نمود:
1. تکنیک‌هایی که از باریکه الکترون برای آنالیز استفاده می‌کنند.
2. روش‌هایی که در آن از باریکه یون استفاده می‌شود.
3. روش‌هایی که از فوتون‌ها برای آنالیز استفاده می‌کنند.

درهرحال برخورد الکترون، یون و یا نوترون با ماده ترکیبی از الکترون های-ثانویه، یون‌ها و یا فوتون‌ها را برانگیخته می‌کند که با خود اطلاعاتی راجع به ساختار و ترکیب شیمیایی ماده حمل می‌کنند. برخی از این تکنیک‌ها تنها اطلاعاتی در مورد لایه‌های اتمی سطح می‌دهند و برخی عمق بیشتری را می-کاوند. اما در هیچ‌کدام از آن‌ها عمق بیشتر از چند میکرون قابل‌دسترسی نیست.[1] یکی از خواصی که اهمیت ویژه‌ای دارد خواص کریستالی لایه‌های نازک است. ما در این مقاله به بررسی این روش خواهیم پرداخت.

خواص کریستالی

در ابتدا اشعه X در یک‌جهت تابانده شده و کریستال در بازه‌ای از زوایا چرخانده می‌شود تا طیف حاصل از بازتاب اشعه X توسط وسیله‌ای به نام دستگاه پویش‌گر پراش اشعه X[2] ثبت شود.[3] این روش که اساس آن رابطه‌ ساده nλ =2dsinθ هست، توسط فیزیکدان انگلیسی W.H.Braggو پسرش W.L.Bragg برای توضیح این‌که چرا سطوح شکسته بلور‌ها پرتو را فقط در زوایای معینی از تابش ورودی (θ) بازتاب می‌کنند، معرفی شد. در رابطه فوقd فاصله بین لایه‌های اتمی در بلور و λ طول‌موج پرتو X ورودی به بلور می‌باشد. n نیز یک عدد صحیح است. مشاهده براگ که مثالی از تداخل موج‌های پرتو X می‌باشد، شاهدی بر ساختار اتمی - تناوبی بلور‌ها بود که برای چند دهه به‌عنوان یک فرضیه مطرح بود. براگ (پدر و پسر) جایزه نوبل سال 1915 در رشته‌ی فیزیک را برای تحقیقاتشان روی تعیین ساختارهای بلوری از جمله NaCl ، ZnSو الماس دریافت کردند.از این روش می‌توان برای اندازه‌گیری میانگین فواصل بین لایه‌ها یا سری‌های اتم، تعیین موقعیت تک بلور یا دانه و ترتیب اتم‌ها، فهمیدن ساختار کریستالی مواد ناشناخته، تعیین مشخصات ساختاری شامل: پارامتر شبکه، اندازه و شکل دانه، کرنش، ترکیب فاز و تنش داخلی مناطق کریستالی کوچک، تشخیص فازهای کریستالی و موقعیت آن‌ها استفاده کرد.

برای تعیین ساختار یک کریستال و تعیین موقعیت اتم‌های آن در چنین شبکه‌ای، یک باریکه موازی از اشعه X، الکترون‌ها یا نوترون‌ها به کریستال تابانده میشود و زوایایی که اشعه تابانده شده تحت آن‌ها از کریستال پراشیده می‌شوند، بررسی می‌شود. ما به طور مفصل به روش‌های مرتبط با اشعه X خواهیم پرداخت ولی اغلب آنچه بحث می‌شود، در مورد اشعه‌ی الکترونی و نوترونی نیز صادق است. طول‌موج اشعه X یعنی λ برحسب نانومتر بیان می‌گردد و با انرژی اشعه X در ارتباط است که برحسب کیلو الکترون ولت (KeV) به‌صورت عبارت زیر نمایش داده می‌شود:

شکل(2-1) نمایی از پرتو Xورودی و بازتاب ‌شده از دو لایه یک بلور فرضی را نشان می‌دهد. پرتو‌های پراشیده شده توسط دو لایه‌ این بلور فقط در زاویه‌ معینی با هم تداخل سازنده انجام می‌دهند و بنابراین آشکار‌ساز فقط در همان زاویه بیشترین شدت را به‌صورت یک قله (پیک) ثبت می‌کند.

شکل (2-1): پرتوهای X ورودی و بازتاب شده از دو لایه یک بلور فرضی و رابطه براگ متناظر با این پراش.

شکل (2-2) الگوی پراش پرتو X حاصل از بلور اکسید آلومینیوم (فاز α). نمودار شدت (برحسب شمارش) نسبت به دو برابر زاویه پرتو X پراش‌یافته (بر‌حسب درجه).

نمونه‌ای از الگوی حاصل از پراش پرتو X در بلور اکسید آلومینیوم در شکل (2-2) نشان داده‌شده است.[4] از تک‌بلورهای با ساختار هندسی مشخص می‌توان به‌عنوان تکفام ساز در طیف‌سنج‌های پرتو X استفاده نمود. طرح پراش ایجادشده توسط یک جسم بلوری برای شناسایی آن جسم به کار می‌رود. در بلورشناسی، طرح‌های حاصل از تعداد زیادی اتم در جهت‌های مختلف، می‌تواند جزئیات طرح ساختمانی اتم‌ها در بلور را نشان دهد و بنابراین میتوان اطلاعات دقیقی در مورد شکل ساختمانی ترکیب به دست آورد.

یک دستگاه پراش که با شبکه پراش بلوری با فواصل مشخص و معلوم کار میکند و تحت عنوان طیف‌سنج پرتو X نامیده می‌شود، دقیقاً مشابه طیف‌سنج شبکه‌ای نور مرئی است. غالباً، برای پوشش تمام ناحیه طول‌موجی، چندین بلور تجزیهگر موردنیاز است و باید بتوان آن‌ها را با دقت فراوان بر پایه‌ای سوار و تعویض نمود. مؤثر بودن یک بلور در جدا کردن تابش‌های عناصر، توسط نمودار پراش تعیین می‌گردد. در مواد کریستالی، پهنای پیک تفرق اشعه ایکس با کاهش ضخامت صفحات کریستالی افزایش می‌یابد.

کاربردها

1. اندازه‌گیری میانگین فواصل بین لایه‌ها یا سری‌های اتمی.
2. تعیین موقعیت تک بلور یا دانه و ترتیب اتم‌ها.
3. فهمیدن ساختار کریستالی مواد ناشناخته.
4. تعیین مشخصات ساختاری شامل: پارامتر شبکه، اندازه و شکل دانه، کرنش، ترکیب فاز و تنش داخلی مناطق کریستالی کوچک.[5]
5. در روش XRD با استفاده از رابطه شرر[6] می‌توان در شرایط خاص اندازه دانه‌های نانومتری را تعیین کرد.
6. تشخیص فازهای کریستالی و موقعیت آن‌ها.
7.اندازه‌گیری ضخامت فیلم‌های نازک و چند لایه [7]

پی نوشت

[1] Milton ohring, The materials seinces of thin film
[2] X-ray-diffraction scan
[3] چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه ای بر نانوتکنولوژی
[4] http://research.ui.ac.ir/mainpage/research/Cent_Lab/dastgah/index.html
[5] دکتر علی معصومی، شیمی دستگاهی
[6] Scherrer
[7] دکتر علی معصومی، شیمی دستگاهی.

منابع
Milton ohring, The materials seinces of thin film, academic press, (1992)
چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه ای بر نانوتکنولوژی، ایمان فرح بخش، امین نعیمی، عبدالحسین موحدی، امیرجواد احرار، محسن مظفری، نیره صحتی، موسسه انتشارات یزد،1385.
http://research.ui.ac.ir/mainpage/research/Cent_Lab/dastgah/index.html
دکتر علی معصومی، شیمی دستگاهی، دانشگاه آزاد اسلامی تهران شمال، 1374.
دکتر پرویز مرعشی، میکروسکوپ های الکترونی و روشهای نوین آنالیز ابزارشناسی دنیای نانو، دانشگاه علم و صنعت ایران،1383.