(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

 

عنوان                                                                                                                                                                                  صفحه

چکیده 1

مقدمه. 2

فصل اول. 3

لایه های نازک، خواص آنها و روش های ساخت آنها 3

مقدمه. 3

1-1 تعریف لایه های نازک.. 4

1-2 مراحل تشکیل لایه های نازک.. 5

1-3 خواص لایه های نازک.. 6

1-3-1 خواص لایه نازک : 6

1-3-2 خواص مکانیکی : 7

1-3-3 خواص الکتریکی.. 7

1-3-4 خواص مغناطیسی : 8

1-3-5 خواص نوری.. 9

1-3-6 خواص شیمیایی : 9

1-3-7 خواص حرارتی : 9

1-4 روش های تهیه لایه های نازک.. 10

1-5 رسوب فیزیکی بخار PVD : 10

1-6 روش تبخیر حرارتی : 11

1-6-1 تبخیر حرارتی مقاومتی.. 11

1-6-2 روش تبخیر حرارتی پرتو الکترونی : 11

1-6-3 روش تبخیر حرارتی لیزری.. 12

1-6-4 روش آنی تبخیر. 12

1-6-5  تبخیر با استفاده از قوس الکتریکی : 12

1-7 کند وپاش… 13

1-8 رسوب شیمیایی بخار CVD.. 13

1-9  اپی تکسی باریکه مولکولی  : MBE.. 15

1-10   لایه گذاری به وسیله پالس لیزری PLD  : 15

1-11  لایه نشانی حمام شیمیایی CBD  : 16

1-12  روش لایه نشان سل ژل. 16

1-12-1 مراحل فرآیند سل ژل. 18

فصل 2. 25

نیمه هادی ها و بررسی خواص اپتیکی.. 25

مقدمه. 25

2-1 نیمه هادی ها 26

2-2 نیمه هادی های نوع N و P. 26

2-3 گاف انرژی.. 28

2-4  نظریه نوار ها 28

2-4-1  نوار های الکترونیکی.. 29

2-4-2 جابه جایی بین نواری.. 29

2-5  مواد از نظر گسیل فوتونی.. 30

2-5-1  گاف انرژی مستقیم و غیر مستقیم : 30

2-6 وابستگی گاف انرژی به دما و فشار. 33

2-7 ماهیت نور. 34

2-8  بیان کمی پدیده ها اپتیکی.. 34

2-8-1 فرآیند جذب… 35

2-9  مدل سازی تابع دی الکتریک… 37

 

2-9-1 مدل تاک لورنتز. 37

2-10 نیمه هادی .. 38

فصل 3. 41

انواع روش های اندازه گیری ناهمواری های سطح لایه های نازک.. 41

مقدمه. 41

3-1 میکروسکوپ هم کانونی.. 42

3-1-1  اساس کار میکروسکوپ هم کانونی.. 43

3-1-2  پارامتر های اپتیکی در میکروسکوپ هم کانونی.. 51

3-2 میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) 53

3-2-2 آشکار سازی جهت گیری تیرک.. 55

3-2-3 مدهای مختلف AFM… 56

3-2-4 مدهای تماسی.. 57

3-2-5 روش های شبه تماسی.. 58

3-3 میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) 59

3-4  میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) 61

3-4-1 میکروسکوپ الکترونی عبوری.. 62

3-4-2  عملکرد میکروسکوپ… 62

3-5  مزیت و توانمندی های هر یک از میکروسکوپ ها 63

3-6 محدودیت های هر یک از این روش ها 64

3-7  بیضی سنجی.. 65

3-7-1  اساس کار بیضی سنجی.. 65

فصل 4. 68

کارهای آزمایشگاهی، بحث و نتیجه گیری.. 68

مقدمه. 68

4-1 روش های عملی و ساخت نمونه ها 69

4-2  اندازه گیری ناهمواری سطح و بستگی ضرایب اپتیکی به آن. 71

4-3  نتیجه گیری.. 88

4-4 پیشنهادات… 89

منابع و مراجع. 90

فهرست شکل ها

عنوان                                                                                                                                                      صفحه

شکل (1-1) نمای کلی از تمامی مراحل سل ژل. 19

شکل (2-1) باند های انرژی برای نیمه هادی نوع n. 28

شکل (2-2) باندهای انرژی برای نیمه هادی نوع P.. 28

شکل (2-3) نمایش باندهای انرژی.. 29

شکل (2-4) تصویر گاف انرژی نیمه هادی ها به صورت : الف) غیر مستقیم  ب) مستقیم. 32

شکل (2-5) فرآیند جذب اساسی در نیمه هادی را نشان می دهد. 36

شکل (2-6)ساختار فضایی ZnO دارای ثابت های شبکه cو a. 40

شکل (2-7)ساختار شش ضلعی ZnO 40

شکل (3-1) نمای شماتیک میکروسکوپ هم کانونی.. 45

شکل (3-2)اساس عملکرد میکروسکوپ هم کانونی.. 46

شکل (3-3) نمودار توزیع و پخش بسامد. 50

شکل(3-4) شماتیک اصول عملکرد AFM… 55

شکل (3-5) در بیان جابجایی عمودی و افقی باریکه لیزر بازتابیده به تیرک بر اثر نیروی عمود و مماس بر افق وارد بر تیرک . 57

شکل (3-6) خمیدگی  تیرک موجب جابه جایی  باریکه لیزر بازتابیده بر روی دیود نوری می شود. 57

شکل (3-7) نیروهای وارد بر تیرک در فاصله های مختلف از سطح نمونه. 58

شکل (3-8) مقایسه نمادین بین حالت تماسی و حالت غیر تماسی.. 59

شکل (3-9) طرحی از میکروسکوپ الکترونی روبشی.. 60

شکل (3-10) سه نوع سیگنال در مد رسانایی SEM : 61

شکل(3-11)نمای شماتیک از عملکرد میکروسکوپ الکترونی عبوری 64

شکل (3-12) طرح واره بیضی سنج که شامل منبع نور، قطبی کننده، جبران کننده، آنالیزور و آشکارساز است… 67

شکل (3-13)در بیضی سنجی زاویه تابش با زاویه بازتاب برابر است… 68

شکل (4-1) نمودار ناهمواری برای نمونه .. 73

شکل (4-2)  نمودار ناهمواری برای نمونه .. 74

شکل (4-3) نمودار ناهمواری برای نمونه .. 75

شکل (4-4) نمودار ناهمواری برای نمونه .. 76

شکل (4-5)  نمودار ناهمواری برای نمونه .. 77

شکل (4-6)  نمودار ناهمواری برای نمونه .. 78

شکل (4-7)  نمودار ضریب شکست برای نمونه .. 80

شکل (4-8)  نمودار ضریب شکست برای نمونه .. 81

شکل (4-9) نمودار ضریب شکست برای نمونه .. 82

شکل (4-10)  نمودار ضریب شکست برای سه نمونه .. 83

شکل (4-11) نمودار ضریب شکست برای نمونه .. 84

شکل (4-12)  نمودار ضریب شکست برای نمونه .. 85

شکل (4-13)  نمودار ضریب شکست برای نمونه .. 86

شکل (4-14) نمودار ضریب شکست برای سه نمونه .. 87

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 21 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 روشهای 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.

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.

 

1-1 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 فرآیند 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:

1- لایه های بسیار نازک با ضخامت کمتر از 50 آنگستروم (5نانومتر) .

2-لایه های نازک با ضخامت بین 50 تا 5000 آنگستروم .

3- لایه های ضخیم با ضخامت بیش از 5000 آنگستروم[1] .

1-2 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)1

 

 

ب) هسته بندی سه بعدی، تشکیل، رشد و به هم پیوستن جزیره ها (سازوکارولمر- وِبِر)1

ج)جذب سطحی تک لایه و هسته بندی بعدی روی این لایه (سازوکار استرانسکی-کراستانف)2

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 :

1)هسته بندی، که در طول آن، هسته های کوچک تشکیل می شوند که به طور تصادفی روی سطح زیر لایه توزیع می شوند.