تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 1580
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
1580
filereader.php?p1=main_538f0a3edb0abcf90

موضوع: روش‌های تولید در مقیاس نانو

فصل: رسوب‌دهی شیمیایی بخار


بخش اول: معرفی روش رسوبدهی شیمیایی بخار و مکانیسم آن
بخش دوم: روش‌های رسوب‌دهی شیمیایی بخار


بخش‌ اول: معرفی روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار و مکانیسم آن


نویسندگان: مبینا کلهریان، معصومه قاسمی نژاد



مقدمه:

از میان روش‌های لایه‌نشانی، روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار (CVD: Chemical Vapor Deposition) به علت هزینه پایین دستگاه، بازدهی بالای محصول و سهولت در توزین بیشترین کاربرد را دارد. رسوب‌دهی شیمیایی بخار (CVD)به فرآیندی گفته می‌شود که شامل تجزیه و یا واکنش‌های شیمیایی از واکنشگرهای گازی در یک محیط فعال شده مانند (گرما، نور و پلاسما) می‌شود و برای تولید و تشکیل یک محصول جامد پایدار استفاده می‌گردد. با روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار می‌توان موادی با خلوص بسیار بالا ایجاد کند که ساختار آن تا مقیاس اتمی یا نانومتری قابل کنترل است. علاوه بر این، با این فرآیند می‌توان موادی تک لایه، چندلایه، کامپوزیت، نانوساختار و پوشش‌هایی با ساختار دانه‌بندی معین با کنترل ابعادی بسیار عالی و ساختار یکنواخت در فشارهای پایین تولید کرد. در این بخش با این روش و مکانیسم کلی آن آشنا می‌شوید.


1- رسوب دهی شیمیایی بخار چیست؟

به طور کلی، فرآیند رسوب‌دهی شیمیایی بخار شامل ورود گازهای واکنش دهنده به داخل راکتور، نفوذ گازها از طریق یک لایه مرزی، تماس گازها با سطح زیرپایه، نشست گاز روی زیرلایه و نفوذ محصولات جانبی واکنش از طریق لایه‌نشانی است.


2- مکانیسم رسوب‌دهی شیمیایی بخار چگونه است؟

به طور کلی سه رژیم واکنش سطحی (سینتیکی)، نفوذ (انتقال جرم) و واجذب در فرآیند رسوب دهی شیمیایی درگیر است. شکل زیر نمایی از مراحل اصلی دخیل در این فرآیند را نشان می-دهد.

filereader.php?p1=main_ee0a0cce58d812299

شکل :1مراحل رسوبدهی شیمیایی بخار


مرحله دوم و پنجم به دلیل تاثیرگذار بودن سرعت نفوذ واکنش‌دهنده‌‌ها بر سرعت نفوذ محصولات جانبی، از طریق روابط استوکیومتری واکنش به یکدیگر وابسته هستند. مراحل سوم و چهارم بسیار پیچیده و ممکن است شامل واکنش‌های سطحی، جذب و واجذب همزمان (جذب شیمیایی و واجذب فیزیکی) و فرآیند‌های جوانه‌زنی باشد.
آهسته‌‌ترین مرحله، سرعت کلی واکنش را تعیین می‌‌کند. اگر دمای زیرلایه بسیار بالاتر از دمای تجزیه واکنش‌دهنده‌ها باشد، سرعت تجزیه مواد اولیه روی زیرلایه افزایش می‌یابد و سرعت رشد توسط سرعت انتقال جرم واکنش ‌دهنده‌‌ها روی سطح کنترل می‌شود. در دماهای پایین، سرعت واکنش با سرعت جوانه زنی ناهمگن وابسته به دما و نیز تاثیرات واجذبی و سینتیکی، محدود می‌-شود. بنابراین سرعت واکنش اولیه از طریق سینتیک کنترل می‌گردد. در این حالت اگر جریان پیش‌مواد اولیه مناسب باشد، سرعت رشد مستقل از آن بوده و فقط رابطه نمایی با دما خواهد داشت. بنابراین به صورت کلی در دمای پایین، دما کنترل‌کننده سرعت واکنش و در دمای بالا، نفوذ کنترل کننده خواهد بود.
روش‌های رسوب‌دهی شیمیایی بخار در دماهای بالا و فشار پایین انجام می‌شود. بنابراین، در این روش سرعت واکنش به دما وابسته نیست؛ اما وابستگی شدیدی به سرعت جریان مواد اولیه و یا لایه مرزی دارد. در دماهای بسیار بالا که درصد فوق اشباع زیاد است و گازهای واکنش ‌دهنده بسیار گرم‌ هستند، واکنش جوانه‌زنی به‌ صورت همگن انجام می‌شود و در نتیجه ذرات جامد رسوب می‌کنند. با رسوب‌دهی، مواد اولیه کاهش یافته و متعاقبا سرعت رشد بر روی سطح زیرلایه کاهش می‌یابد. به همین دلیل جریان مواد اولیه کنترل‌کننده سرعت واکنش است.
معمولا سرعت واکنش شیمیایی با افزایش فشار سیستم، افزایش می‌یابد. جوانه‌زنی در فاز گاز به‌ صورت همگن است، در حالیکه جوانه‌زنی روی زیرلایه به ‌صورت ناهمگن می‌باشد. به ‌نظر می‌رسد که فرآیند جوانه‌زنی شامل تشکیل خوشه‌هایی با اندازه بحرانی (جوانه‌ها) است که در مرحله بعد بلورهای پایدار تشکیل می‌شود. سه مدل اصلی برای فرآیند رشد در نظر گرفته می‌شود که در شکل زیر نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_7447b63b24c550a59

شکل2: سه مدل جوانه¬زنی در رسوب¬دهی از فاز گاز


هندسه، شکل و ترکیب زیرلایه، نوع فرآیند رسوب‌دهی، ماهیت ماده هدف و فاکتورهای اقتصادی روی طراحی سیستم CVD موثر است. پیش ماده مایع یا جامد با حرارت‌دهی به حالت گاز درمی‌آید، سپس گاز تولیدی به درون راکتور رانده می‌‌شود (شکل 3). هنگامی که ضخامت ویژه‌ای از فیلم یا آلیاژ و یا ترکیب چندتایی با نسبت مولی خاص مورد نظر باشد، باید سرعت تبخیر کنترل شود. در سیستم‌‌های پیشرفته CVD، معمولا از کنترل‌ کننده‌‌های دیجیتال جریان و یا کنترل‌کننده‌های فشار جریان استفاده می‌شود. پیش‌ماده‌های مایع راحت‌تر از جامد استفاده می‌‌شود. زیرا انتقال گرما و سطح در دسترس ماده جامد کم‌تر از مایع است.


filereader.php?p1=main_6e23b400342056acc

شکل 3: نمایی ساده از راکتور حرارتی CVD











filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


1. Ch. .Bhattacharjee and A. Nath, Review article Chemical vapour deposition (CVD) technique and the synthesis of carbon nano materials (CVMs).
2. M. Kumar and Y. Ando, Review article Chemical vapour deposition of carbon nano tubes: a review in growth mechanism and mass production.
3. M. Kumar and Y. Ando, Chemical Vapor Deposition of Carbon Nanotubes: A Review on Growth Mechanism and Mass Production
4- C. Jones, Chemical Vapour Deposition: Precursors, Processes and Applications