چکیده

در این مقاله، لایههای نازکی از ترکیبات سرمت ٢Zr- ZrO به روش اسپاترینگ مگنترون بر روی زیرلایههایی از Si و نیز کوارتز همجوشیده جایگذاری شده، پاسخ اپتیکـی نمونهها به تغییر فشار جزئی اکسیژن و نیز تاثیر بازپخت لایهها بر ساختار بلوری لایه و طیف نوری نمونهها مورد بررسی تجربی قرار گرفته است. نتایج حاصل از XRD حاکی از بیشکل بودن ترکیبات کامپوزیت تهیه شده بود؛ اما آزمایشها نشان دادند که بازپخت در خلاﺀ موجب ایجاد ساختار بسبلوری در آنها شده است. بررسی تجربی انجام شده نشان داد که در شرایط خاص لایهگذاری، فاز تتراگونال زیرکونیا در دمایی پایینتر از دمای نرمال گذار خود متبلور شده است که این پدیده غیرعادی، ناشی از پایدارسازی وابسته بـه اندازه ذرات میباشد. پس بر اساس نتایج بهدست آمده، بدون افزودن ناخالصی نیز امکان پایدارسازی فاز تتراگونال زیرکونیا وجود دارد.

واﮊههای کلیدی: سرمت، کامپوزیت، زیرکونیا، پایدارسازی وابسته به اندازه ذرات، اسپاترینگ، XRD, SAD, Zr- O

١. مقدمه

مواد سرمت مخلوطی از فـاز سـرامیکی و یـک فـاز فلـزی

میباشند. بهخاطر دارا بودن خواص جالب، این مواد کاربردهای

گستردهای پیدا کردهاند و از نظر مطالعات بنیادی در علـم مـواد نیز دارای اهمیت ویژهای میباشند. رفتار اپتیکـی، الکتریکـی و ساختار یک سرمت لایه نـازک بـه اجـزای تـشکیل دهنـده آن،
درصد نسبی ترکیب، شرایط لایهنشانی، شیوه بازپخت لایـههـا،

اندازه و شکل دانهها، و نیز به واکنش شـیمیایی مولفـههـای آن

بستگی دارد. ویژگیهای منحصر بهفرد سرمتها به آن جهت است که خواص اپتیکی و الکتریکی آنها، تغییرات قابل ملاحظهای را

در برابر تغیر اندازه و شکل ذرات، میزان درصد حجمـی فلـز و

نحوه توزیع آماری مولفههای سرمت نشان میدهد؛ چنانکه این تغییرات در نزدیکی یک مقدار حدی از تمرکز فلز (موسـوم بـه آستانه نفوذ١ الکتریکی) که انتقال سریع از خواص دیالکتریکی به خواص فلزی صـورت مـیگیـرد، چـشمگیر اسـت. در ایـن وضعیت میزان تمرکز فلز (f) برابر fc است. به ازای f>fc سرمت

بهصورت یک زمینه فلزی است که دانههای عایق در آن توزیـع شده است. در چنین شرایطی هدایت الکتریکی سرمت به مراتب بیش از سایر حالات است. تمرکز حدی fc میزان تمرکزی است

____________________________________________

Percolation threshold .١

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

٩٨ سعید هادوی، سیدحسین کشمیری، احمد کمپانی و کیو.سی.زانگ جلد پنجم، شماره ٢

که ذرات فلزی شروع به تشکیل مسیرهای رسانا در درون نمونه

سرمت مینمایند. در نزدیکی f= fc لایههای نازک سرمت دارای خواص مهم و جالبی میباشند ازجمله اینکه:

– میزان عبور نور، بازتاب و جذب اپتیکی در گستره بزرگی از

طول موج، مستقل از میزان طول موج است. از این خاصیت

در کاربردهایی نظیر پرتو شکافها١ استفاده میشود.

– در این شرایط میزان جذب اپتیکی به میزان قابل ملاحظهای

بالا است.

دومین ویژگی مهم سرمتها، وجود قله تـشدید مشخـصه در

طیف جذبی آنهاست؛ در حالیکه این قله تـشدید در هیچکـدام از مولفههای تـشکیل دهنـده سـرمت مـشاهده نمـیشـود. ایـن ویژگی مهم، به غیر عادی بودن رفتار اپتیکـی٢ شـهرت دارد. بـا

بررسی رفتار سرمتها در ناحیه IR میتوان پی برد که آیا دانههای فلزی در درون ماده سرمت تشکیل مسیرهای رسانا دادهاند و یـا آنکه از هم مجزا میباشند. از جمله خواص دیگر سرمتهای لایه نازک میتوان به مقاومت الکتریکی زیاد قابـل کنتـرل، ضـریب دمایی مقاومت الکتریکی٣ ( TCR) قابل پیشبینی، حساسبودن مقاومت الکتریکی آنها به فاصله بین دانهای اشاره نمود.

مجموعه خواص سرمتها، نه تنها از نقطه نظر فیزیکی جالب

توجه محققین میباشد؛ بلکه در ارتباط با کاربردهای عملی نیـز حائز اهمیت میباشند] ١- ٥ [ نمونههایی از کاربردهـای شـناختهشـده سـرمتهای لایـه نـازک عبارتند از:

– مقاومتهای الکتریکی بالا در صنایع میکروالکترونیک

– لایههای گزیننده طول موج٤ در مبدلهای نور حرارتی

– حسگرهای تنش (استرس)، فشار و دما

– حسگرهای شیمیایی

– به عنوان مواد گسیلنده الکترون در لولههای پرتو کاتدی

– به عنوان پتانسیومتر

– به عنوان الکترود در سلولهای سوختی اکسید جامد٥

____________________________________________

Beam splitters .١ Optical anomaly .٢ Temperature coefficient of resistance .٣ Solar selective coatings .٤

بدیهی است کـه بـدون تجزیـه و تحلیـل رفتـار فیزیکـی ایـن

ترکیبات، پیشرفتی در ارتباط با کاربرد آنها حاصل نخواهد شـد. بهطور کلی زیرکونیای حجمی یک اکسید پلیمرفیک میباشد و

تنها فاز پایدار آن در دمای اتـاق و فـشار معمـولی، منوکلینیـک (٢(α –ZrO است. در دمای℃ ١١٥٠ به ساختار تتراگونال تغییر شکل داده (بهطوری که این ساختار تا دمای℃ ٢٣٧٧ میتوانـد

پایدار بماند)، و سپس با افـزایش دمـا در℃ ٢٣٧٧ بـه سـاختار

مکعبی تغییر شـکل مـیدهـد؛ و تـا دمـای ذوب خـود در ایـن

پیکربندی پایدار میماند.

به تجربه ثابت شـده اسـت کـه در فراینـد تهیـه لایـههـای ٢β –ZrO به روش اسپاترینگ هدف Zr در اتمـسفر ِ٢Ar+ O ، انتقال از ساختار α –Zr به ٢α +β – ZrO و سپس به ٢β –ZrO

صورت میگیرد]٤.[

٢. روش تهیه نمونهها و آنالیز آنها

از آنجا که رابطه نزدیکی بین پاسخ اپتیکی- الکتریکی سرمتها و ساختار بلوری آنها وجود دارد، در این مطالعه، لایههـای نـازکی

از کامپوزیت Zr-O به روش اسپاترینگ واکنشپذیر جایگـذاری

شدند و ساختار بلوری آنهـا بـه روش XRD ، و اثـرات پـراش الکترونی آنهـا بـا اسـتفاده از میکروسـکوﭖ الکترونـی عبـوری (TEM) به روش پراش ناحیه انتخابی SAD)٦) بررسی گردیـد. همچنین در این مطالعه، اثر بازپخت نمونهها بر ساختار بلوری و
پاسخ اپتیکی آنها مورد بررسی و تفسیر قرار گرفت.