مقدمه

لایههاي کربن شبهالماسی((DLC یک نوع کربن آمورف با بخش زیادي از اتمهاي کربن با هیبریداسیون sp3 هستند. بطور کلی ساختار آنها شامل ترکیبی از اتمهاي کربن پیوندیافته با هیبریداسیونهاي sp3 و sp2 میباشد که البته نظم بلند بردي درآن وجود ندارد.[۱] با توجه به ویژگیهاي جالب و نزدیک به الماس آنها همچون سختی بالا، پایداري شیمیایی و حرارتی، شفافیت اپتیکی، ضریب اصطکاك پایین و زیستسازگاري، بسیار مورد

توجه، مطالعه و تحقیق هستند و به عنوان پوششهاي محافظتی روي وسایل برشی و سایشی، دیسکهاي ذخیرهسازي مغناطیسی، پنجرههاي اپتیکی و ایمپلنتهاي پزشکی به صورت گستردهاي مورد استفاده قرار میگیرند.[۲] ویژگیهاي لایههاي DLC به کسر پیوندهاي sp3 بسیار وابسته است. این پارامتر توسط مکانیسم لایه-نشانی یعنی بمباران یونی لایههاي در حال رشد توسط یونهاي کربنی پرانرژي کنترل میشود. مطابق مدل کشت زیرسطحی[۱] یونکمهاي انرژينفوذقادر به سطحدرون نخواهند بود. بنابراین

۲۲

در کمترین سطح انرژي خود یعنی حالت sp2 روي سطح می-چسبند. با افزایش انرژي به یک مقدار معین(انرژي آستانه)، یونها میتوانند داخل سطح نفوذ و به موقعیت زیر سطحی مورد نظر وارد شوند. این باعث افزایش چگالی موضعی میشود و پیوندهاي موضعی حول اتم نفوذ کرده مطابق با چگالی جدید اصلاح خواهند شد. در طول فرایند لایهنشانی و در شرایط بمباران یونی لایههاي در حال رشد توسط یونهاي پرانرژي، هیبریداسیون اتمی براي تغییر در چگالی موضعی تنظیم میشود، بطوریکه اگر چگالیکم باشد بیشتر به حالت sp2 و اگر چگالی زیاد باشد، بیشتر به حالت sp3 تبدیل میشود. لذا با توجه به نقش بسیار مهم انرژي گونههاي کربنی در تعیین نسبت sp3/sp2، ویژگیهاي لایههاي DLCبه شدت به روش و شرایط لایهنشانی بستگی دارد. روش لایهنشانی لیزر پالسی((PLD با توجه به مزیتهایی همچون توانایی تولید گونههاي پرانرژي کربنی و سنتز لایههاي DLC با درصد بالایی از هیبریداسیون sp3، توانایی لایهنشانی در دماهاي پایین و قابلیت کنترل شرایط لایهنشانی یکی از روشهاي موفق سنتز لایههاي نازك DLC میباشد.[۳] در این پژوهش لایههاي DLC را با استفاده از روش PLD در دماهاي زیرلایه اتاق، ۱۰۰œC و ۲۰۰œC لایهنشانی کرده و تاثیر دماي لایهنشانی را روي ویژگیهاي ساختاري، توپوگرافی و مورفولوژي آنها بررسی کردیم.

ساخت و آزمایش

لایههاي DLCسیلیکونبرروي زیرلایه با کندوسوز لیزري از یک تارگت گرافیتی درون محفظه خلا توسط سیستم لایهنشانی لیزر پالسی((PLD با لیزر اگزایمر KrF با طول موج ۲۴۸nm لایه-نشانی شد. زیرلایههاي سیلیکون را به ترتیب با آب دیونیزه، استون

و اتانول با استفاده از دستگاه پاكکنندهي اولتراسونیک شستشو داده

و سپس با گاز آرگون خشک کردیم. فشار پایه محفظهي خلا هنگام لایهنشانی ۱×۱۰-۶mTorr بود. انرژي هر پالستعدادلیزر، پالسهاي لیزر، مدت زمان تابش پالس لیزر، فرکانس تکرار پالس-هاي لیزر و فاصلهي تارگت تا زیرلایه طی فرایند لایهنشانی به ترتیب ۲۰۰mj،۱۰۰۰۰، ۲۰ns، ۱۰HZ و تقریبا حدود ۷cm بود. ویژگیهاي ساختاري توسط طیفموجسنجی رامان با طول

تحریک ۵۳۲nm مورد بررسی قرار گرفت. همچنین ویژگی-هاي توپوگرافی و مورفولوژي لایههاي سنتز شده با استفاده از تصاویر AFMو FESEM مورد مطالعه قرار گرفت.

نتایج وبحث

طیف رامان لایههاي DLC معمولا داراي دو قله(باند) به نام-هاي G و D در محدوهي فرکانسی ۱۱۰۰cm-1 الی ۱۸۰۰cm-1 میباشد. قلهي D مربوط به مد تنفسی اتمهاي sp2 در حلقهها می-باشد و شدت آن به حضور و تعداد خوشههاي شبهگرافیتی متشکل از حلقههاي آروماتیک شش ضلعی وابسته است. این در حالی است که قلهي G مربوط به مدهاي تنفسی و کششی همه زوجهاي اتمی sp2 هم در حلقهها و هم در زنجیرهها میباشد. [۴]

شکل :۱ طیف رامان لایههاي DLC در دماهاي مختلف زیرلایه

RT

۱۰۰°C

G D ).u.intensity(a

۲۰۰°C

G D

۰۰۰۲ ۱۰۰۰ ۱۲۰۰ ۱۴۰۰ ۱۶۰۰ ۱۸۰۰

Raman Shift(cm-1)

شکل۱ طیف رامان لایههاي DLC ایجاد شده در دماهاي زیرلایهي مختلف را نشان میدهد. وجود باندهاي مشخصهي D و G در

۳۲

لایهها(برازش شده با قلههاي گاوسی) نشاندهندهي تشکیل فاز DLC میباشد. اختلاف میان طیفهاي رامان لایهها در دماهاي مختلف زیرلایه کاملا واضح است. همانطورپیداستکهدر شکل۱ طیف رامان مربوط به دماي اتاق توسط یک قلهمتمرکزيگاوسی

در۱۵۵۴/۶cm-1برازش شده که نشاندهندهي آمورف بودن این لایه با بخش مهمی از پیوندهاي sp3، زنجیرهاي بودن سایتهاي sp2و عدم تشکیل خوشههاي sp2 در آن میباشد.[۵] با افزایش دماي زیر لایه به ۱۰۰œC، در طیف رامان یک شانهي گسترده بوجود میآید که میتوان آن را با دو قلهي گاوسی برازشیعنیکرد. علاوه بر باند G، باند D نیز ظاهر میشود که حکایت از افزایش تعدا سایتهاي sp2 و شکلگیري خوشههاي گرافیتی متشکل از حلقههاي آروماتیک شش ضلعی دارد.[۴] باتغییر دما به ۲۰۰œC باندهاي D و G به طور کاملا مجزا از هم تفکیک و شدت باند D افزایش مییابد. این پدیده به کریستالیزه شدن فاز آمورف یعنی افزایش خوشههاي نانوگرافیتی نسبت داده میشود.[۶]