خواص لایه‌های نازک

۱- خواص لایه نازک

خواص لایه‌های نازک نظیر خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی و ... به پارامترهای زیادی وابسته است که این پارامترها مربوط به روش تولید و کیفیت و نوع ماده‌ی زیرلایه خواهند بود. در مورد روش‌های لایه‌نشانی از پارامترهای مربوط به روش تولید می‌توان به میزان خلا، جریان گاز عبوری حین فرایند رشد لایه، سرعت لایه‌نشانی و خلوص مواد پوشش اشاره کرد [۱]. در این مقاله در مورد خواص برجسته لایه‌های نازک بحث خواهد شد.

۱-۱- خواص مکانیکی

یکی از خواص مهم لایه‌های نازک خواص مکانیکی می‌باشد. روش‌های مختلف تولید و ساخت لایه‌های نازک، باعث ایجاد عیوب از جمله نابجایی‌ها در لایه‌ها می‌شود و چون در لایه‌های نازک این عیوب قابلیت حرکت ندارند در جای خود قفل می‌شوند. غلظت بالای نابجایی‌ها و عدم تحرک آنها در لایه نازک سبب افزایش خواص مکانیکی نظیر سختی و مقاومت به سایش آنها می‌شود که قابل مقایسه با بالک ماده نیست. از طرفی، افزایش شدید غلظت نابجایی‌ها موجب ایجاد تنش در ساختار لایه نازک می‌شود و از آنجا که معمولا بیشتر روش‌های لایه‌نشانی در دمای بالاتر از دمای محیط استفاده می‌شوند (نظیر روش‌های PVD و CVD)، مقداری تنش حرارتی نیز در لایه نازک ایجاد می‌شود که مقدار آن تابع اختلاف دمای لایه‌نشانی و دمای کاربردی لایه نازک می‌باشد [۶-۲].

رفتار مکانیکی لایه‌های نازک مانند استحکام و چسبندگی آن‌ها سهم بسزایی در کارایی لایه‌های نازک دارد. عوامل موثر بر خواص مکانیکی شامل اندازه و شکل دانه‌های تشکیل شده درون لایه‌ها؛ حضور تهی جاها، نا بجایی‌ها، خلل و فرج و ... می‌باشد. تنش در لایه‌های نازک به دو نوع تنش‌های گرمایی و تنش‌های ذاتی تقسیم می‌شود. تنش نوع اول،‌ به این دلیل ایجاد می‌شود که اکثر فرایندهای لایه‌نشانی در دمای بالا انجام می‌شود و چون مواد مختلف، ضرایب انبساط گرمایی متفاوتی دارند، در هنگام لایه‌نشانی بین لایه و زیرلایه این تنش ایجاد می‌شود. دومین نوع تنش که به تنش ذاتی یا داخلی معروف است به عواملی چون فرایندهای رشد غیر تعادلی بستگی دارد و موجب تشکیل ساختارهای غیر تعادلی می‌شود. از دیگر خواص مکانیکی لایه‌های نازک، استقامت کششی لایه‌های نازک می‌باشد. تنش کششی لازم برای اینکه لایه‌ای ترک بردارد کمیت مهمی است که هر چه میزان آن بزرگتر باشد، لایه سخت‌تر کشیده می‌شود. به طور کلی استقامت کششی لایه، تابع ضخامت لایه است. همچنین تشکیل لایه اکسیدی بر روی لایه می‌تواند باعث افزایش استقامت کششی لایه گردد [۷].

۲-۱- خواص الکتریکی

بررسی خواص الکتریکی مواد عمدتا براساس نظریه نواری صورت می‌گیرد که در آن ترازهای انرژی الکترونی و چگالی حالت‌ها، فلز یا نیمه‌رسانا ویا عایق بودن ماده را تعیین می‌کنند. این ترازهای انرژی در توده مواد و در سطح مربوط به لایه‌های نازک با یکدیگر متفاوتند. به این ترتیب که برخی ترازهای انرژی ممنوعه در حالت توده مواد تبدیل به ترازهای گسسته مجاز می‌شوند. همچنین در فصل مشترکی که دو سطح با یکدیگر برهمکنش دارند،‌ ترازهای انرژی دیگری را تحت تاثیر قرار می‌دهند. کاربرد این مباحث در اتصالات بین قسمت‌های مختلف مدارهای مجتمع، وسایل میکروالکترونیک، الکترونیک و... با استفاده از لایه‌های نازک می‌باشد [۷].

در مواد رسانا صرفنظر از اینکه یک ماده بالک یا لایه نازک باشد، تعدادی حامل بار الکتریکی (n) با بار (q) داریم که با سرعت مشخص (V) در میدان الکتریکی (e) حرکت می‌کند که سبب عبور جریان با چگالی (j) در ماده می‌شود.

در جاییکه µ موبیلیته الکترون‌هاست؛

بنابراین رسانایی مواد (σ) برابر می‌شود با:

در مورد لایه نازک علاوه بر اینکه تعداد حامل‌های بار کاهش می یابد، به علت کاهش ضخامت لایه، حرکت الکترون‌ها نیز محدود می‌شود. به همین علت الکترون‌ها با اندک انحراف از مسیر حرکتشان (Surface Scattering)، باعث کاهش رسانایی می‌شوند. فاصله یک انحراف از مسیر حرکت تا انحراف دیگر را طول پویش آزاد میانگین (Mean Free Path) می‌نامند که رسانایی ماده تابع این پارامتر می‌باشد. ضخامت لایه نازک می‌تواند کمتر از طول پویش آزاد آن گردد، در این حالت، الکترون‌ها دائما با دیواره لایه نازک برخورد می‌کند و رسانایی ماده بسیار کاهش می‌یابد و این به معنی افزایش شدید مقاومت الکتریکی لایه نازک خواهد بود. در لایه‌های نازک فلزی، مقاومت الکتریکی بیشتر از بالک ماده است که این میزان با افزایش ضخامت لایه نازک، کاهش پیدا می‌کند.

در ساخت لایه‌های نازک، سه نوع مورفولوژی می‌تواند ایجاد شود:

۱- لایه، ساختار کاملا منسجم داشته باشد.
۲- لایه دارای تخلخل باشد.
۳- لایه بصورت ذرات جدا از هم تشکیل شود.

خواص الکتریکی لایه‌های نازک شدیدا به مورفولوژی آن بستگی دارد. در این میان، بهترین رسانایی مربوط به لایه‌های نازک منسجم و کمترین میزان رسانایی درلایه‌های با ذرات جدا از هم می‌باشد. در لایه‌های فلزی منسجم نیز، رسانایی بسیار بیشتر از لایه‌های فلزی غیر منسجم می‌باشد. اما برخلاف لایه‌های فلزی منسجم، با افزایش دما رسانایی لایه‌های فلزی غیر منسجم افزایش می‌یابد.

رسانایی لایه نازک منسجم (σ) از رابطه زیر به دست می‌آید:

در جاییکه l طول پویش آزاد الکترون، n تعداد حامل‌های بار، e بار الکترون، m جرم الکترون و V سرعت میانگین الکترون‌ها در ناحیه فرمی است [۶-۲].

۳-۱- خواص مغناطیسی

اساس خاصیت مغناطیسی مواد به چرخش الکترون به دور خود یا اسپین الکترون (Spin) مربوط است. مطابق شکل ۱، اگر نسبت R/r (شعاع اتم به شعاع اوربیتال تک الکترونی) به گونه‌ای باشد که میزان انرژی تبادلی (Exchange Energy) در ناحیه مثبت قرار گیرد، ماده می‌تواند خاصیت مغناطیسی از خود نشان بدهد [۸].

شکل ۱- نمودار تعیین فرومغناطیس وآنتی فرومغناطیسی مواد [۸]

انرژی تبادلی در واقع انرژی است که موجب موازی شدن اسپین الکترون‌ها می‌شود. فلزات واسطه نظیر Fe و Co و Ni و Gd جز مواد مغناطیسی طبیعی هستند. به منطقه‌ای که در آن اسپین الکترون‌ها موازی و هم‌جهت است، ناحیه مغناطیسی (Magnetic Domain) گفته می‌شود. اندازه این دومین‌ها در حدود ۵۰ میکرومتر می‌باشد. با کاهش ضخامت لایه نازک خاصیت مغناطیسی نیز کاهش می‌یابد. زیرا در این حالت به علت افزایش تعداد الکترون‌های سطحی و آزادی بیشتر این الکترون‌ها، به سختی می‌توان همه الکترون‌ها را هم جهت و موازی نمود. کاهش بیشتر ضخامت لایه‌های نازک به کمتر از اندازه دومین مغناطیسی می‌تواند آنها را به لایه‌های پارا مغناطیس تبدیل کند. اما در لایه‌های نازک، آثار پارا مغناطیس و دیا مغناطیس به قدری ضعیف است که به سختی آشکار می‌شود. خواص فرو مغناطیس به دمای زیرلایه، آهنگ لایه‌نشانی و اجزای سازنده بستگی دارد. با استفاده از فلزات مغناطیسی(Fe و Co و Ni) می‌توان لایه‌های نازک فرومغناطیس تولید نمود که کاربرد وسیعی در ابزار حافظه کامپیوتر دارند زیرا در لایه‌های نازک به علت کاهش تعداد دومین‌ها، زمان مغناطیس شدن و مغناطیس معکوس، کاهش می‌یابد. خاصیت مغناطیسی لایه‌های نازک به شدت به مورفولوژی و میکروساختار و تاحدودی به شکل هندسی لایه بستگی دارد  [۷-۲].

۴-۱- خواص نوری

پدیده‌های مختلف نوری در مواد شامل بازتاب (Reflection)، جذب (Absorption)، عبور (Transmition) و پراکندگی (Scattering) نور می‌باشد:

به طوری که R_λ درصد بازتاب، A_λ درصد جذب، T_λ درصد عبور و S_λ درصد پراکندگی نور می‌باشد. پارامترهای اصلی واکنش نور با لایه‌های نازک شامل ضریب شکست (n: Refraction Index) و ثابت جذب (k: Index of Absorption) می‌باشد. به طور کلی هیچ ماده‌ای وجود ندارد که نور را کاملا جذب کند یا آن را به طور کامل بازتاب کند. تمام جامدات قسمتی از نور را جذب و قسمتی از آن را بازتاب می‌کنند. چنانچه در ماده‌ای، $\mathrm{k}\gg \mathrm{n}$ باشد یعنی در آن ماده جذب بالا اتفاق می‌افتد مانند مواد عایق و دی‌الکتریک‌ها و اگر k

درجه افزایش k و کاهش n تابع پارامترهای لایه‌نشانی نظیر نحوه لایه‌نشانی، تخلخل لایه و ضخامت آن می‌باشد. معمولا برای لایه‌نشانی با اهداف نوری، از روش‌های فیزیکی استفاده می‌شود. از تغییراتی که در ثابت‌های جذب و بازتاب لایه نازک ایجاد می‌شود، می‌توان در کاربردهای وسیعی نظیر آینه‌ها و لایه‌های ضدانعکاس (Antireflection) استفاده نمود. در مباحث خواص نوری در لایه‌های نازک، بیشترین کاربرد مربوط به سیستم‌های چندلایه است که با ترکیب چند لایه با ضخامت‌ها و ضریب شکست‌های متفاوت می‌توان کاربردهای متفاوتی را ایجاد نمود [۶-۲].

۵-۱- خواص شیمیایی

در لایه‌های نازک به علت سطح تماس زیاد لایه با محیط، واکنش‌پذیری لایه نسبت به ماده بالک افزایش می‌یابد، لذا از این خاصیت لایه‌های نازک می‌توان به عنوان سنسور شناسایی مواد شیمیایی استفاده نمود.

۶-۱- خواص حرارتی

لایه‌های نازک از آنجا که نسبت سطح به حجم بالایی دارند لذا تعداد اتم‌های سطحی آنها بیشتری دارند و چون اتم‌های سطحی ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتم‌های درون شبکه دارند، به همین دلیل دمای ذوب لایه نازک کمتر از دمای ذوب همان ماده در حالت بالک ماده می‌باشد [۴-۲].

۲- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در بررسی خواص لایه‌های نازک مشخص است که خواص لایه نسبت به توده ماده رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهد. خواص الکتریکی وابسته به نوع عیوب ایجاد شده خواهد بود. در بحث خواص الکتریکی لایه‌های نازک گفته شد که رسانایی الکتریکی لایه با کاهش ضخامت آن، کاهش می‌یابد و در مقابل میزان مقاومت الکتریکی در لایه‌های نازکتر، مقادیر بزرگتری خواهد داشت. با کاهش ضخامت لایه‌های نازک، میزان مغناطیس شدن آنها نیز کم می‌شود و در مورد خواص نوری، با کاهش ضخامت لایه، جذب نور در آن افزایش خواهد داشت. همچنین به علت افزایش میزان سطح به حجم در لایه‌های نازک، تغییر دما و واکنش شیمیایی نسبت به توده ماده با سرعت بیشتری انجام خواهد گرفت.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۳- منابع

[1]. K. N. Chopra & A. K. Maini, "Thin Film and Their Applications in Military and Civil Sectors" Defence Research and Development Organisation, 2010.

[2]. M. Ohring, “Yhe Materials Science of thin Films”, Academic press. 1992.

[3]. K. N. Chopra & I. Kuar, " Thin Film Device Applications ", Technology and Engineering, 1983.

[4]. R. W. Berry, P. M. Hall & M.T. Harris “Thin film Technology”, Van Nostrand Company, 1968.

[5]. S.M. Sze “Semiconductor Devices-Physics and technology”, John Wiley, 1985

[6]. A. Wagendristel & Y. Wang, “An Introduction of Physics and Technology of Thin Films”, 1994.

[7]. ع. رازقی زاده، "فیزیک لایه‌های نازک "، دانشگاه پیام نور:تهران، ۱۳۸۸.

[8]. http://www.nitt.edu/home/academics/departments/physics/faculty/lecturers/justin/students/magnetic/exchange/