شکل (۴-۱۰) نمودار ضریب شکست برای سه نمونه ۸۳

۸۴
۸۵
۸۶
۸۷
چکیده
امروزه مطالعات فراوانی در خصوص مواد نیمه هادی و اثر جا نشانی این مواد با مواد دیگر صورت گرفته است. ما در این پایان نامه خواص اپتیکی لایه های نازک ZnO و ZnO آلاییده شده با Mn، تهیه شده به روش سل-ژل را مطالعه کرده ایم و ناهمواریهای سطحی لایه های نازک تهیه شده را توسط میکروسکوپ هم کانونی اندازه گرفته ایم.
نتایج این تحقیق نشان می دهد که خواص اپتیکی لایه های ZnO خالص و آلاییده شده با Mn با تغییر ناهمواری سطح تغییر میکند.
واژگان کلیدی : میکروسکوپ هم کانونی، لایه های نازک، جا نشانی، سل ژل، خواص اپتیکی، ZnO
مقدمه
گفته می شود که در قرن ۲۱ سه علم در عرصه زندگی انسان پیشرو سایر علوم می گردند. این سه علم بیوتکنولوژی، نانو تکنولوژی و فن آوری اطلاعات می باشند. از این میان نانو تکنولوژی یکی از پیامدهای زندگی مدرن می باشد. نیاز های همچون سرعت بیشتر، دقت افزونتر، فضای فیزیکی و بازتر و بالاخره رفاه مناسب تر، بیشتر را متوجه استفاده از ابزار کوچک از مرتبه یک میلیاردم متر نموده است. یکی از مهم ترین عرصه های فناوری نانو، لایه های نازک می باشد. از این رو در تحقیقات و صنایع امروزی نیمه هادی ها دارای کاربردهای فراوانی هستند چون خواص اپتیکی و الکتریکی جالبی از خود نشان می دهند.
همچنین اثبات شده است که با افزودن نا خالصی به نیمه هادی ها، خواص اپتیکی و الکتریکی آنها تغییراتی پیدا کرده و عملکرد متفاوتی از خود نشان می دهند. یکی از نیمه هادی های بسیار پر کاربرد نیمه هادی اکسید روی می باشد که با توجه به خواص اپتیکی و الکتریکی خاصی که دارد کابرد های بسیاری در شاخه های مختلف علوم و فناوری را دارد. در این پایان نامه ZnO را با Mn جا نشانی کرده و پس از تهیه لایه نازک آن، نتایج این جا نشانی را بر خواص اپتیکی ZnO به دست می آوریم. اهمیت موضوع این پایان نامه در روش به کار رفته در تهیه لایه نازک می باشد که با توجه به حاصل شدن ساختار متفاوت نسبت به سایر روش های لایه نشانی، خواص اپتیکی این لایه ها اهمیت پیدا می کند.
در فصل اول مقدمه ای برلایه های نازک و انواع روش های لایه نشانی از جمله PVD، CVD و کندوپاش و سل ژل را آورده ایم، در فصل دوم خواص اپتیکی نیمه هادی ها، تعریف نیمه هادی ها، ZnO، وتوابع دی الکتریک را مورد بحث قرار داده ایم، در فصل سوم انواع روش های مطالعه لایه های نازک و ضخامت سنجی از جمله میکروسکوپ هم کانونی، بیضی سنجی، میکروسکوپ های AFM، SEM، TEM را به اختصار بررسی کرده ایم و در فصل چهارم کارهای تجربی را آورده و در مورد نتایج بدست آمده از نمونه ها بحث کرده ایم.
فصل اول
لایه های نازک، خواص آنها و روش های ساخت آنها
مقدمه
بررسی خواص فیزیکی ماده در طول صد سال اخیر آن قدر پیشرفت کرده است که امروزه علم فیزیک به گروه بزرگی از شاخه های خاص که اغلب شکاف بزرگی هم بین آنها وجود دارد، تقسیم شده است. این شاخه ها در واقع به علت گستردگی بسیار خود علم به وجود آمده اند، و عملاً با بخش خاصی که مطالعه می شود، و روش بررسی و چیزهایی از این قبیل متمایز می شوند. یکی از این شاخه های مهم و مستقل که درسال های اخیر توسعه یافته فیزیک لایه های نازک است. این شاخه از فیزیک با سیستم هایی سروکار دارد که فقط یک ویژگی مشترک دارند، یعنی آنهایی که یکی از ابعاد شان بسیار کوچک است، درحالی که ممکن است سایر خواص چنین سیستم هایی و همچنین روش های بررسی آنها متفاوت باشند.
معمولاً ما در جست و جوی مشخصه های فیزیکی اجسام سه بعدی هستیم و خواص مشخصه این اجسام را هم غالباً برای واحد حجم در نظر می گیریم، یعنی فرض می کنیم که این مشخصه ها به حجم جسم بستگی ندارد. این فرض ما دام که ابعاد جسم «معمولی» یعنی کم و بیش در حد ماکروسکوپی باشد پذیرفتنی است، اما به محض این که با کوچک شدن یکی از ابعاد افزایش قابل ملاحظه ای در نسبت سطح به حجم پدید بیاید دیگر معتبر نیست. در صورت کاهش دو بعد دیگر هم تغییرات بیشتری را می توان مشاهده کرد. مثلا ذره های بسیار کوچک پخش شده در یک ماتریس یا لایه های بسیار نازک مشتمل بر نواحی مجزا بی هنجاریهای قابل ملاحظه ای را در خواصشان بروز می دهند.
اگر لایه بسیاز نازکی از یک ماده را در نظر بگیریم، با وضعی مواجه هستیم که در آن دو سطح آن قدر به هم نزدیک اند که می توانند تأثیر به سزایی روی خواص فیزیکی داخلی و فرایند های جسم بگذارند. این کاهش فاصله بین سطوح، و برهمکنش متقابل آنها می تواند به پدیده های کاملاً جدیدی بیانجامد. علاوه بر این کاهش یک بعد ماده تا مرتبه چندلایه اتمی سیستم حد فاصلی بین ماکروسیستمها و سیستم هایی مولکولی پدید می آورد و به این ترتیب روشی برای بررسی ماهیت میکروفیزیکی فرایندهای گوناگون در دسترس قرار می دهد. مطالب بالا از جمله دلایل توجه فیزیک دان ها به موضوع لایه های نازک، و اختصاص شاخه کاملی از فیزیک به این موضوع، و رشد شاخه های فناوری مربوط به آن اند.
۱-۱ تعریف لایه های نازک
به طور کلی لایه به ماده یا موادی گفته می شود که به صورت پوششی برروی یک سطح یا ماده می نشیند و باعث ایجاد خواص الکتریکی، فیزیکی و مکانیکی سطحی جدیدی می شود که نه خصوصیات ماده تشکیل دهنده آن را دارد و نه خصوصیات سطحی را که لایه برروی آن رسوبه شده است و خصوصیات سطحی زیر لایه را ارتقاء می بخشد. لایه های نازک را می توان به لایه های رسانا (فلزی)، لایه های نیمه رسانا، و لایه های نارسانا(عایق) از مواد معدنی و آلی تقسیم بندی کرد. در عموم روش های لایه نشانی، هنگامی که ماده از حالت توده ای به صورت ورقه خیلی نازکی از اتم ها. مولکول ها یا یون های مجزا در آیند و توسط چگالش روی سطح زیر لایه نشینند، پوششی ایجاد می شود که آن را لایه و یا فیلم می نامند. چگالش ذرات اتمی مولکولی یا یونی برای تشکیل لایه بر روی زیرلایه توسط فرایند های فیزیکی و شیمیایی مختلفی صورت می گیرد. معمولاً اگر لایه تشکیل شده نازک باشد، خواص فیزیکی جدیدی از خود بروز می دهد که با خواص همان لایه به صورت توده ای متفاوت است که به این ترتیب می توان قابیلت های جدیدی به محصول افزود. اصولاً لایه ها و پوشش های مختلف از نقطه نظر ضخامت به سه گروه تقسیم می شوند که عبارتنداز:
۱- لایه های بسیار نازک با ضخامت کمتر از ۵۰ آنگستروم (۵نانومتر) .
۲-لایه های نازک با ضخامت بین ۵۰ تا ۵۰۰۰ آنگستروم .
۳- لایه های ضخیم با ضخامت بیش از ۵۰۰۰ آنگستروم[۱] .
۱-۲ مراحل تشکیل لایه های نازک
عمدتاً سازو کار مختلف چگالش لایه نازک را بسته به شدت برهمکنش بین اتم های لایه در حال رشد و بین اتم های لایه و زیر لایه می توان تشخیص داد:
الف)رشد لایه به لایه (سازوکار وَن در مرو)^۱

1. 1. Van der merwe

ب) هسته بندی سه بعدی، تشکیل، رشد و به هم پیوستن جزیره ها (سازوکارولمر- وِبِر)^۱
ج)جذب سطحی تک لایه و هسته بندی بعدی روی این لایه (سازوکار استرانسکی-کراستانف)^۲
در بیشتر موارد سازوکار (ب) صورت می گیرد و حالا ما آن را با تفصیل بیشتری بررسی می کنیم. با مشاهده لایه ها که مستقیماً در میدان دید میکروسکوپ الکترونی تبخیر می شوند، معلوم شده است که رشد لایه را معمولاً می توان به سه مرحله مشخص تقسیم کرد. این مرحله ها عبارتند از :
۱)هسته بندی، که در طول آن، هسته های کوچک تشکیل می شوند که به طور تصادفی روی سطح زیر لایه توزیع می شوند.
۲)رشد هسته ها و تشکیل جزیره های بزرگتر که اغلب شکل خرده بلور ها را دارند.
۳)به هم پیوستن جزیره ها و تشکیل شبکه ای کم و بیش متصل که دارای کانالهای خالی است.
نکته مهمی که باید به آن توجه داشت این است که پس از رسیدن به تراکم مشخصی از هسته ها ذرات اضافی که به سطح برخورد می کنند دیگر تشکیل هسته نمی دهند، بلکه به هسته های موجود یا به جزیره های تشکیل شده، می چسبند. فرایند هسته بندی و رشد و به هم پیوستن جزیره های جدا اهمیت بنیادی در تشکیل ساختار لایه، یعنی اندازه خرده بلور ها، جهت آنها و غیره دارند[۲-۳] .
۱-۳ خواص لایه های نازک
لایه های نازک خواص بسیار جالبی دارند که متفاوت از خواص توده ای مواد تشکیل دهنده آنها می باشد. در این مبحث به بررسی رفتار لایه های نازک از دیدگاه خواص مختلف آنها پرداخته شده است که این خواص شامل الکتریکی، خواص نوری، خواص مکانیکی، خواص شیمیایی و خواص حرارتی لایه های نازک می باشد.

1. 1. volmer - weber

1. 1. stranski - krastanov

۱-۳-۱ خواص لایه نازک :
خواص لایه های نازک نظیر خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی و. . . به پارامتر های زیادی وابسته است که این پارامتر ها مربوط به روش تولید و کیفیت و نوع ماده زیر لایه خواهند بود. در مورد روش های لایه نشانی از پارامتر های مربوط به روش تولیدی می توان به میزان خلاء جریان گاز عبوری حین فرایند رشد لایه، سرعت لایه نشانی و خلوص مواد پوشش اشاره کرد[۴] .
۱-۳-۲ خواص مکانیکی :
یکی از خواص مهم لایه های نازک خواص مکانیکی می باشد. روش های مختلف تولید وساخت لایه های نازک، باعث ایجاد عیوب از جمله نابه جایی ها در لایه ها می شود چون در لایه های نازک این عیوب قابلیت حرکت ندارند در جای خود قفل می شوند. غلظت بالای نابه جایی ها و عدم تحرک آنها در لایه نازک سبب افزایش خواص مکانیکی نظیر سختی و مقاومت به سایش آنها می شود که قابل مقایسه با بالک ماده نیست. از طرفی، افزایش شدید غلظت نابه جایی ها موجب ایجاد تنش در ساختار لایه نازک می شود و از آنجا که مقداری تنش حرارتی نیز در لایه نازک ایجاد می شود که مقدار آن تابع اختلاف دمای لایه نشانی و دمای کاربردی لایه نازک می باشد (نظیر روش های CVD و PVD که در ادامه توضیح داده خواهد شد. )معمولاًبیشتر روش های لایه نشانی در دمای بالاتر از دمای محیط استفاده می شوند. رفتار مکانیکی لایه های نازک مانند استحکام و چسبندگی آنها سهم به سزایی در کارایی لایه های نازک دارد. عوامل مؤثر بر خواص مکانیکی شامل اندازه و شکل دانه های تشکیل شده درون لایه ها، حضور شخصی جاها، نابه جایی ها، خلل و فرج و. . . می باشد.
تنش نوع اول، به این دلیل ایجاد می شود که اکثر فرایند های لایه نشانی در دمای بالا انجام می شود و چون مواد مختلف، ضرایب انبساط گرمایی متفاوتی دارند، در هنگام لایه نشانی بین لایه، لایه های نازک به دو نوع تنش های گرمایی و تنش های ذاتی تقسیم می شود. دومین نوع تنش که به تنش ذاتی یا داخلی معروف است به عواملی چون فرایند های رشد غیر تعادلی بستگی دارد و موجب تشکیل ساختار های غیر تعادلی می شود. از دیگر خواص مکانیکی لایه های نازک استقامت کششی لایه های نازک می باشد که به طور کلی استقامت کششی لایه، تابع ضخامت لایه است[۵] .
۱-۳-۳ خواص الکتریکی
بررسی خواص الکتریکی مواد عمدتاً بر اساس نظریه نواری صورت می گیرد که در آن تراز های انرژی الکترونی و چگالی حالت ها، فلز یا نیم رسانا و یا عایق بودن ماده را تعیین می کنند. این تراز های انرژی در توده مواد و در سطح مربوط به لایه های نازک با یکدیگر متفاوتند. به این ترتیب که برخی تراز های انرژی ممنوعه در حالت توده مواد تبدیل به ترازهای گسسته مجاز می شوند. همچنین در فصل مشترکی که دو سطح با یکدیگر بر همکنش دارند، ترازهای انرژی دیگری را تحت تأثیر قرار می دهند. در مورد لایه های نازک علاوه بر این که تعداد حامل های بار کاهش می یابد، به علت کاهش ضخامت لایه، حرکت الکترونها نیز محدود می شود. فاصله یک انحراف از مسیر حرکت تا انحراف دیگر را طول پویش آزاد میانگین می نامند که رسانایی ماده تابع این پارامتر می باشد. ضخامت لایه نازک می تواند کمتر از طول پویش آزاد آن گردد، در این حالت الکترون ها دائماً با دیواره لایه نازک برخورد می کند و رسانایی ماده بسیار کاهش می باید و این به معنی افزایش شدید مقاومت الکتریکی لایه نازک خواهد بود. در لایه های نازک فلزی، مقاومت الکتریکی بیشتر از بالک ماده است که این میزان با افزایش ضخامت لایه نازک، کاهش پیدا می کند[۶] .
در ساخت لایه های نازک سه نوع ساختار می تواند ایجاد شود:
۱- لایه ساختار کاملاً منسجم داشته باشد.