دانلود مطالب پایان نامه ها در رابطه با بررسی و ساخت نانوسیم هاو امکان سنجی تولید میکرومقاومت وکوچک ... |
فصل پنجم
روشهای تولید نانوساختارها
۵-۱- مقدمه
در فصول گذشته مطرح گردید که دو دیدگاه مختلف درباره تولید مواد وجود دارد؛ یکی دیدگاه از بالا به پایین و دیگری پایین به بالا. مثالهای روش بالا به پایین شامل ساخت مدارهای مجتمع با بهره گرفتن از یک زنجیره از مراحل از قبیل رشد بلور، لیتوگرافی، سونش یا اچ کردن، القای یونی و غیره و مثالهایی از روش پایین به بالا نیز شامل تکنولوژی سل-ژل، الکتروانباشت، انباشت فیزیکی و شیمیایی بخار (PVD، CVD)، فرساب لیزری و غیره هستند.
در این فصل روشهای تولید نانوساختارها که مهمترین آنها تولید نانوحفرهها و نانوسیمها است، بویژه از روش الکتروانباشت شیمیایی بررسی خواهد شد.
۵-۲- فرایند لیتوگرافی و محدودیتها
بخش بزرگی از علم تابش و مهندسی درگیر با ساختارهای مزوسکوپی در دهه گذشته
استفاده از تکنیکهای لیتوگرافی را امکان پذیر کرده اند .
لیتوگرافی یک روش چاپ است که از فرایندهای شیمیایی برای تولید یک تصویر استفاده می کند. دو نوع فرایند لیتوگرافی وجود دارد که در صنعت سیلیکون استفاده می شود. یکی از آنها فوتولیتوگرافی و دیگری بعنوان لیتوگرافی پرتوی الکترونی نامیده می شود. فرایند فوتولیتوگرافی از نور برای انتقال یک الگوی هندسی از یک ماسک نوری یا فوتوماسک به یک ماده شیمیایی حساس به نور (فوتومقاوم) بر روی زیرلایه استفاده می کند. بسته به طرح روی ماسک نوری، ساختارهای مختلف میتوانند بر روی زیرلایه تولید شوند که در ادامه برای ایجاد ابزار فوتونیکی و الکترونیکی بر پایه سیلیکون استفاده میشوند.
از سوی دیگر لیتوگرافی پرتوی الکترونی فرایند استفاده از پرتوی الکترونها برای تولید طرحهایی روی یک سطح است. از مزایای اصلی این روش اینکه از راههای تداخل محدوده پراش نور و ایجاد ویژگیهایی در رژیم زیر میکرومتر استفاده می کند. بعلت سرعت خیلی کم این نوع از لیتوگرافی، هنوز از لحاظ تکنیکی در حال استاندارد شدن در صنعت میباشد، اما کاربرد گستردهای در تحقیقات یافته است. با این حال این نوع از لیتوگرافی کابرد گستردهای در تولید ماسک برای ماسکهای استفاده شده در فوتولیتوگرافی و تولیدات کم حجم ترکیبات نیمههادی پیدا کرده است. چنین سیستمهایی پهناهای خطی در حدود nm20 ایجاد می کنند. اما به نظر میرسد که این تکنیکها درحال نزدیک شدن به محدوده و کران خود برای تولید نانوساختارهای D1 و D0 (یک بعدی و صفر بعدی) هستند. از این رو دیدگاه های غیرلیتوگرافی تولید نانوساختارها نیاز فعلی میباشند.
۵-۳- روشهای غیرلیتوگرافی
تکنیکهای غیرلیتوگرافی برپایهی فرایندهای خود متشکل طبیعی هستند. در کل این
تکنیکها میتوانند به طور وسیع به دو گروه تقسیم شوند: فرایند انباشت برپایهی خلاء و فرایند انباشت برپایهی محلول. در سنتز برپایهی انباشت خلاء، به خلاء بالا نیاز است. از این رو فرایند خیلی تمیز یا بینقص بوده و احتمال انباشت مواد خارجی و نامطلوب خیلی کم است. در نتیجه این نوع تکنیکها برای ساخت ابزار کارآمد بسیار مطلوب هستند. اما سیستمهای برپایهی خلاء تجهیزات گران و پیچیده، لوازم جانبی متراکم مانند پمپهای خلاء، دریچههای فشار و ابزار اندازه گیری و غیره نیاز دارند. مثالهایی از این نوع شامل تکنیک تبخیر، کند و پاش، انباشت شیمیایی بخار، فرساب لیزری، اپیتاکسی پرتوی ملکولی (MBE)، روشهای قوس پلاسمایی و غیره هستند. فرایندهای برپایهی محلول، از طرف دیگر برپایهی واکنشهای شیمیایی در فاز مایع هستند. از این رو این تکنیکها ساده بوده و بازهی وسیعی از مواد میتوانند با این روش سنتز شوند. اما از نقاط ضعف این روش آنکه بعلت واکنشهای شیمیایی با مواد مختلف ترکیب در محلول، ملکولهای نامطلوب، یونها و مواد دیگری که در ظرف مواد سنتز شده باقی ماندهاند و در نتیجه ویژگیهای مطلوب آنرا تغییر می دهند، فرایندهای خیلی تمیزی نیستند. مثالهایی از تکنیکهای برپایهی محلول، سنتزهای شیمیایی مرطوب مانند لایهنشانی غوطهور در سل-ژل، لایهنشانی اسپین (با فشردن فلز) تجزیهی پاششی، فرایند الکتروانباشت خود شکلیافته نانوحفرهها، رشد با حضور میدان نانوسیم در ماتریس متخلخل در محلول، روش بخار-مایع-جامد، انباشت حمام شیمیایی و غیره میباشند. برخی از روشهای تهیه نانومواد در زیر بطور خلاصه آورده شده است.
۵-۳-۱- انباشت بخار فیزیکی(PVD)
این حالت شامل روشی مکانیکی (کند و پاش کاتدی) و روشهای گرمایی (تبخیر پرتوی الکترونی) میباشد. در زیر این دو روش توضیح داده می شود.
۵-۳-۱- ۱- کند و پاش
کند و پاش یک فرایند انباشت فیزیکی بخار است، که به موجب آن اتمهای یک ماده هدف جامد بعلت بمباران ماده با یونهای دارای انرژی به طرف فاز گازی رانده میشوند. بطور رایج این کار برای انباشت فیلم نازک استفاده می شود . در کند و پاش یک تخلیهی برافروخته (گداخته) از یونهای غیر واکنشی (بعنوان مثال Ar) یا یک پلاسمای خازنی با یک اختلاف پتانسیل، داخل یک محفظهی خلاء بین ماده هدف که قرار است انباشت شود و زیرلایه تولید می شود که در نتیجه آن اتمهای ماده انباشتی روی سطح جمع خواهند شد. کند و پاش یکی از روشهای بسیار فراگیر است که برای انباشت ابزار از نوع فیلم استفاده می شود. در مقایسه با دیگر روشهای انباشت، فرایند کند و پاش فیلمهایی با خلوص بالا، کنترل ترکیبی بهتر و فیلمهایی با استحکام چسبندگی و همگنی بیشتر فراهم می کند و اجازهی کنترل بهتر ضخامت فیلم را میدهد . در ابتدا کند و پاش برای انباشت فیلمهای نازک فلز استفاده میشد، اما بعدها مواد مرکب نیز با این روش انباشت شدند. اما در این موارد، استوکیومتری هدف یک عامل مهم برای انباشت ماده مرکب است، زیرا نرخهای کند و پاش عناصر مختلف ترکیب شیمیایی متفاوتند. بنابر این برای بدست آوردن ترکیب مواد نانوساختار، کند و پاش بعنوان وسیلهای مفید شناخته شده است، بطوری که ترکیب مواد، ضخامت، همگنی، زمان انباشت، دمای زیرلایه و غیره میتوانند به آسانی با این فرایند کنترل شوند. بخصوص زمان انباشت و دمای زیرلایه عوامل خیلی با اهمیت جهت انباشت مواد نانوساختار روی زیرلایههای مختلف هستند. زمان انباشت کوتاه برای جلوگیری از انباشت تعداد زیاد ذرات لازم میباشد تا نانوساختار خود را حفظ کند و احتمال این که ذرات بصورت خوشههای بزرگتر بهم بچسبند، کاهش یابد. بعبارت دیگر دمای پایین زیرلایه همچنین از بهم چسبیدگی ذرات جلوگیری می کند تا به حالت نانوبلورین باقی بمانند.
۵-۳-۱-۲- تبخیر پرتوی الکترونی
در تبخیر پرتوی الکترونی، یک پرتو با انرژی جنبشی بالا از الکترونها بر مادهای که میخواهیم تبخیر شود، تابیده میگردد. به مجرد برخورد، انرژی جنبشی بالا به انرژی گرمایی تبدیل و اجازهی تبخیر ماده هدف را میدهد . حرارتی که با بمباران پرتوی الکترونی پرانرژی با یک تفنگ الکترونی که از گسیل ترمویونیک الکترونهای تولید شده با یک فیلامان گداخته (کاتد) تولید میشوند، به سطح مادهای که قرار است انباشت گردد منتقل می شود. الکترونهای گسیلی به طرف یک آند با اختلاف پتانسیل بالا (kv) شتاب داده میشوند. خنکسازی بوته نیز از مشکلات آلودگی ناشی از گرمایش و تبخیر جلوگیری می کند.
۵-۳-۲- انباشت بخار شیمیایی(CVD)
انباشت بخار شیمیایی یک فرایند شیمیایی است که برای تولید مواد جامد با خلوص و
بازده بالا استفاده می شود. این فرایند اغلب در صنعت نیمههادی به منظور تولید فیلمهای نازک استفاده میگردد. برای سنتز مواد در این روش، اجزای شیمیایی در فاز بخار برای تشکیل یک فیلم جامد در سطح زیرلایه واکنش می دهند. فرایندهای ساخت میکرویی و نانویی، بطور گسترده CVD را برای انباشت مواد در شکلهای مختلف شامل تک بلوری، بسبلوری و بیشکل توانا میکند. این مواد شامل فیبر کربن، نانوفیبرها، نانورشتهها، نانولولهها، نانومیلههای کربن و غیره میباشد. این فرایند در کل به دو مرحله تقسیم میگردد: مرحله اول شامل انتقال مواد فاز گازی به محدوده واکنش و سپس واکنش مواد و مرحله دوم شامل انباشت فیلم روی زیرلایه. فرایند انتقال شامل تهیه گاز، جابجایی یا همرفت مواد فاز گازی به سبب گرادیان فشار و یا نیروی بالابر ارشمیدس گازهای داغ و نفوذ واکنشدهندهها به سطح زیرلایه میباشد.
فرایند انباشت نیز شامل جذب اجزای واکنشدهنده (انقباض گازها روی سطح جامد یا زیرلایه) با مهاجرت سطحی دنبال شده با واکنش شیمیایی بین اجزای واکنشدهنده میباشد.
برای افزایش نرخ انباشت ممکن است استفاده از فشارهای کم و دماهای بالا نیاز باشد. همچنین PACVD (CVD شامل پلاسما) می تواند اجازهی انباشت در دماهای پایینتر و نرخ انباشت بالاتر را بدهد .
۵-۳-۳- انباشت سل-ژل
روشهای مختلفی تحت این عنوان وجود دارند . سل-ژل فرایندی خودمجتمع برپایهای شیمیایی-مرطوب برای ساخت نانومواد است. همانطور که از اسم دلالت می کند، فرایند شامل تکامل تدریجی شبکه ها در طول تشکیل یک سوسپانسیون کلوئیدی (سل) و ژلاتین سل جهت تشکیل یک شبکه در فاز مایع پایدار (ژل) میباشد. یک عامل مهم در تکنولوژی سل-ژل زمان کهنگی[۶۱] است که به سل اجازهی بسته شدن را میدهد و می تواند بسته به غلظت سل و اندازه مادهای که میخواهیم نشانده شود، از یک دقیقه تا چندین هفته تغییر کند.
بعد از تشکیل ژل نیز چندین راه جهت تشکیل جامد مطلوب وجود دارد. میتوان باخشک کردن ناگهانی ژل، آنرا به آئروژل تبدیل نمود. آئروژل مادهای بسیار متخلخل با چگالی کم است که حدود ۵۰-۵/۹۹% آن هوا بوده و با خارج کردن مایع از ژل تحت شرایط بحرانی بدست می آید. و یا با خشک کردن آهستهی ژل، آنرا به اکسروژل و سپس تحت عمل آهکی شدن به ماده سرامیکی چگال تبدیل کرد. همچنین میتوان با بهره گرفتن از مواد فعال در سطح (سورفکتانت) مختلف که کشش سطحی ذرات پراکنده در سل را اصلاح و از کلوخهشدن آنها جلوگیری می کند، گویهای ژلهای کوچک تولید کرده و سپس با عمل آهکی شدن، آنها را به پودر تبدیل نمود. از کاربردهای مهم دیگر سل-ژل تشکیل نانوسیمها/میلهها در قالبهای متخلخل از قبیل آلومینا، سیلیکون و غیره است. در این کار ابتدا سل بر سطح قالب قرار داده می شود و سپس با فرایند سونیکیت و یا الکتروانباشت، ذرات معلق درون سل به داخل نانوحفرههای قالب راهنمایی شده و با خشک کردن، نانوساختار مورد نظر حاصل میگردد.
سل-ژل روشی ارزان با دمای پایین است که اجازه میدهد ترکیبات شیمیایی محصولات بخوبی کنترل شود .
۵-۳-۴- انباشت الکتروفورتیک[۶۲](EPD)
الکتروفورتیک یک فرایند کلوئیدی است که در آن یک میدان الکتریکی جریان مستقیم (DC) در طول یک سوسپانسیون پایدار از ذرات پایدار، باعث جذب این ذرات با الکترودی با بار مخالف میگردد . الکترود کاتد شامل زیرلایهای است که که پوشش بر روی آن نشانده می شود و می تواند بصورت ورقهی آلومینیوم یا فولاد ضدزنگ باشد.
ضخامت لایهی نشانده شده به فاصلهی بین دو الکترود، ولتاژ DC (متغیر بین ۱۰ تا v300)، ویژگیهای سوسپانسیون (بعنوان مثال pH) و مدت زمان انجام فرایند وابسته است. این روش اغلب جهت انباشت یک لایه اکسید آلومینیوم (با اکسایش لایهی Al) بعنوان یک پیشلایه جهت مساعدت در چسبندگی یک کاتالیزور که در انباشت مرتبهی بعد نشانده می شود، بکار میرود.
۵-۳-۵- انباشت الکتروشیمیایی[۶۳]
در انباشت الکتروشیمیایی از محلولهای یونی استفاده میگردد. در این روش که الکتروپلیتینگ[۶۴] یا بطور ساده الکتروانباشت نامیده می شود، از طریق یک جریان الکتریکی، لایهای اصولاً فلزی بر روی سطح نشانده می شود. انباشت یک لایهی فلزی روی یک جسم، با برقراری بار منفی روی جسمی که لایهنشانی می شود (کاتد) و فرو بردن در محلولی که شامل یک نمک فلز مورد نظر جهت انباشت است، انجام میگیرد. وقتی یونهای فلزی با بار مثبت درون محلول به جسم با بار منفی میرسند، جسم الکترونهایی را جهت کاهش بار مثبت یونها، جهت تشکیل حالت فلزی فراهم می کند. این روش که می تواند مانند روش سل-ژل جهت پر کردن قالبهایی با حفرههای نانومتری نیز استفاده گردد، در ادامه فصل بیشتر مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
۵-۳-۶- انباشت لیزر پالسی[۶۵](PLD)
این روش که همچنین بعنوان انباشت فرساب لیزری پالسی نیز شناخته می شود، برای انباشت فیلم نازک و همچنین سنتز نانومواد استفاده می شود. در این روش یک پرتوی لیزری پالسی با توان بالا درون یک محفظهی خلاء جهت تبخیر ماده از سطح هدف و در نهایت انباشت آن بر روی یک زیرلایه، بر روی سطح این هدف متمرکز میگردد. ماده هدف که با لیزر تبخیر میگردد، معمولاً بصورت یک دیسک چرخان که به نگهدارندهای متصل است، وجود دارد. PLD به یک برهمکنش فوتون جهت تولید بخار بیرون رانده شده از ماده هدف وابسته است. بخار روی یک زیرلایه که در فاصلهی کوتاهی از هدف قرار دارد جمعآوری میگردد، که میتوان خروج ماده را بعلت احتراق سریع سطح هدف بخاطر گرم شدن بیش از حد ماده تصور کرد. وقتی پالس لیزر بوسیلهی هدف جذب می شود، ابتدا انرژی به برانگیختگی الکترونیکی و سپس به انرژی حرارتی، شیمیایی و مکانیکی تبدیل میگردد که منجر به تبخیر، فرساب لیزری ماده هدف، تولید پلاسما، انباشت ماده رسوبی روی زیرلایه و در نهایت هستهزایی و رشد فیلم بر سطح زیرلایه می شود. درکل بدست آوردن فیلم مطلوب از لحاظ استوکیومتری برای مواد چند عنصری با بهره گرفتن از PLD از روشهای دیگر انباشت آسانتر میباشد. میتوان فیلمهایی نازک با ضخامت کاملاً معین با استوکیومتری پیچیده با بهره گرفتن از این روش بدست آورد .
۵-۴- روشهای ساخت آرایهای از نانوسیمها
در فصل اول گفتیم که بطور کلی دو روش جهت ساخت نانوسیم ها بصورت آرایهای وجود
دارد : یکی روشهای متکی به لیتوگرافی و دیگری روشهای قالبسازی که روش دوم بعنوان مناسبترین راه رشد نانوسیمها در نظر گرفته می شود، که در اینجا پرکردن آنها از طریق انباشت الکتروشیمیایی بررسی میگردد. در زیر اصول کلی و راههای مختلف انباشت با این روش آمده است.
۵-۴-۱- اصول کلی انباشت الکتروشیمیایی
در کل انباشت فلز از الکترولیتهای آبی نه تنها یک واکنش مهم تخصصی است، بلکه یک مثال هستهزایی و رشد است که در آن مکانهای هستهزایی نقش قاطعی را بازی می کنند. بعبارت دیگر جنبه های بلورسازی الکترونیکی[۶۶] مستقیماً مربوط به مسائل هستهزایی و رشد بلورمیشود.
در این روش از جریان الکتریکی برای کاهش کاتیونهای موجود در الکترولیت به منظور انباشت مواد استفاده میگردد. نمونه ای که باید انباشت بر روی آن انجام گیرد، بهمراه فلزی با رسانندگی بالا (اصولا گرافیت یا پلاتین) بعنوان کاتد و آند درون الکترولیتی متناسب با ماده انباشتی مطلوب، شامل نمک فلزی آن ماده و یک اسید که یونهای لازم جهت شارش جریان را فراهم می کند، در راکتور واکنشی قرار میگیرند. کاتد و آند هر دو به منبع تغذیهی خارجی متصل میباشند. هنگامیکه منبع تغذیه روشن است و بعنوان مثال، کاتد به خروجی منفی و آند به خروجی مثبت وصل هستند، اتمهای فلزی محلول در الکترولیت در تماس با سطح آند، به کاتیون تبدیل شده و بار مثبت میگیرند. سپس به سمت کاتد با بار منفی حرکت کرده و در مرز بین محلول و کاتد کاهیده شده و در حالت والانس صفر فلزی، روی کاتد انباشته میگردند. از آنجا که آلومینا مادهای تقریباً عایق میباشد، ولتاژ اعمالی در کاتد ما که در اینجا آلومینای آندیک متخلخل است (در حقیقت آلومینیوم زیر حفرهها)، تنها از درون حفرهها با محلول ارتباط برقرار کرده و در نتیجه به درون حفرهها کشیده میشوند. بعد از پر شدن حفرهها (پر شدن همه حفرهها لازم نیست) ، و با برقراری جریان از طریق سیمهای تشکیل یافته در قالب با سطح نمونه، این ناحیه نیز می تواند از ماده انباشتی پوشیده گردد، که بسته به مدت زمان انباشت، ضخامت آن بیشتر میگردد، اما یکنواختی پوشش بستگی به درصد پرشدگی حفرهها دارد. اگر تمام حفرهها تا بالا بطور کامل و همزمان پر شوند، میتوان سطحی با بیشینهی یکنواختی را انتظار داشت. بعنوان مثال برای انباشت Zn فلزی درون قالب AAO با بهره گرفتن از نمک H2SO4 ، یون Zn2+ شناور در محلول، با گرفتن دو الکترون در کاتد، کاهیده شده و انباشت میگردد. هر چه چگالی جریان بیشتر باشد، سرعت انباشت بالاتر میرود.
در طول انباشت، خیلی از واکنشهای غیرمترقبه از قبیل انباشت ناخالصیها نیز رخ میدهد که ممکن است منجر به کاهش مقدار فلز انباشتی گردد.
در شکل (۵-۱) منحنی لحظهای جریان در این فرایند آورده شده است. در شکل همچنین مکانیسم رشد نانوسیمهای فلزی در چهار مرحله مختلف نشان داده شده است. در مرحله اولیه بعلت محدودیت انتقال جرم جریان کاهش مییابد. در مرحله دوم فلز در حفرهها در حال رشد میباشد و به یک رژیم نسبتاً پایدار خواهد رسید. در مرحله سوم حفرهها تا بالای سطح پوسته پر میشوند و به شکل کلاهکی با انباشت سه بعدی سر میزنند. در مرحله آخر بعلت رشد همزمان بعضی نانوسیمها که از سطح پوسته بیرون آمدهاند و افزایش مساحت موثر الکترود، جریان انباشت افزایش مییابد. پس از روی هم افتادن مقادیر پخشی تک نانوجزءهای همسایه یک حجم پخش سه بعدی و حالت جریان پخشی خطی بالک حاصل میگردد.
شکل (۵-۱) منحنی جریان لحظهای فرایند الکتروانباشت و مراحل مکانیسم رشد نانوسیمها. منحنی خطی نمایش کلی فرایند و منحنی خطی-نقطهای مربوط به حالت تجربی رشد نانوسیمهای کبالت میباشد.
۵-۴-۲- روشهای مختلف الکتروانباشت
در کل انباشت الکتروشیمیایی درون قالب AAO به سه طریق انجام میپذیرد: ۱) انباشت با ولتاژ مستقیم، ۲) انباشت با ولتاژ تناوبی ۳) انباشت با ولتاژ پالسی که در زیر آنها را توضیح خواهیم داد.
۵-۴-۲-۱- آندایز با ولتاژ مستقیم
در این روش که به نوعی سختترین حالت از حیث عملیاتی میباشد، نیاز به مراحل مختلفی قبل از انباشت از جمله برداشتن آلومینیوم پشت نمونه، انحلال لایهی سدی و باز کردن ته حفرهها، که در فصل قبل توضیح داده شد، و نشاندن یک لایه ماده رسانا مانند طلا، نقره یا پلاتین از روشهایی مانند کند و پاش، انباشت بخار فیزیکی، ژول و یا دیگر روشها بر یک طرف سطح نمونه میباشد . الگویی از مراحل این کار در شکل (۵-۲) آورده شده است.
شکل (۵-۲) مراحل تهیه آرایهای از نانوسیمها از طریق الکتروانباشت مستقیم
فرم در حال بارگذاری ...
[چهارشنبه 1400-08-05] [ 11:56:00 ق.ظ ]
|