لایه نازک thin film

لایه نازک thin film

اینم لینک مطالب برا اون ها که روابط را نمیبینند

http://rapidshare.com/files/439148477/payan_nameh_tahvil2.zip

  
نویسنده : ایرج علیمیرزایی ; ساعت ۱۱:٢۸ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٩/۱٠/٤

چرا این وب

با اضافه کردن این وب به مجموعه خود متوانید

١: بدون چرخیدن الکی در اینترنت به مطالب مورد نظر خود دست یابید(صفحات وب را ببینید)

٢:با اضافه کردن مجموعه لینک های خود به این وب دیگران را در دانش خود سهیم کنید

٣:در صورت توان شما را در فیزیک حالت جامد ، لایه نشانی و ضخامت سنجی لایه نازک و مطالب مربوط به آن کمک می کنیم

۴:در صورت تمایل شما هم ما را در زمینه های تخصصی خود ما و دیگران را کمک کنید

۵:بخش نرم افزار هم در راه است فیزیکی و.......لبخندلبخند

  
نویسنده : ایرج علیمیرزایی ; ساعت ٧:۳٥ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/٤/٢٤

داستان فیزیک حالت جامد

داستان فیزیک حالت جامد

با سلام

مقدمه

نویسنده : ایرج علی میرزایی  کارشناسی ارشد حالت جامد

هدف : آشنایی دانشجویان و اساتید   رشته فیزیک با  فیزیک لایه نازک ،نرم افزار های مربوطه و روش های لایه نشانی جدید

-1- روشهای ساخت فیلم‎های نازک

از آنجا که خواص اپتیکی و ساختاری فیلمای نازک شدیداً به ریز ساختار فیلم بستگی دارد بنابراین هر روش لایه نشانی همراه با پارامترهای وابسته‎اش فیلمهایی با خواص مختلف ارائه می‎دهند.

روشهایی را که برای ساخت لایه‎های نازک مورد استفاده قرار می‎گیرند، می‎توان به سه دسته کلی تقسیم نمود

1 روشهای انباشت (Deposition)فیزیکی

2 روشهای انباشت شیمیایی

3-روشهای انباشت فیزیکی- شیمیایی

روشهای متعارف تهیة فیلمهای نازک در نمودار زیر ارائه گردیده است که با تفصیل بیشتر، بعضی از آنها در ادامه توضیح داده خواهد شد.

نمودار سازمانی

   روشهای تبخیری(Evaporation)

یکی از روشهای ساده تهیه فیلم روش تبخیری می‎باشد که بوسیلة آن می‎توان بیشتر مواد را انباشت نمود. این روش یک روش فیزیکی بوده و دارای مزایایی از قبیل آهنگ انباشت بالا، سادگی و آسان بودن می‎باشد. تبخیر تحت خلاء جهت انباشت مواد رسانا در مدارها و قطعات الکترونیکی، برای کاربرد دی‎الکتریک و پوششهای اپتیکی و برای فناوریهای توسعه‎یافته نظیر ابررساناها با دمای بالا مورد استفاده قرار می‎گیرد.

روشهای بررسی  لایه های نازک

لایه های نازک به هر روش که تهیه شود، لازم است که قبل از استفاده مورد تحلیل قرار گیرد. بطور کلی ما همیشه دو دسته روش بررسی داریم]4[:

الف- روشهای مخرب

ب- روشهای غیر مخرب

روشهای مخرب روشهایی هستند به نمونه ها آسیب وارد می کنند .این روشها فقط در صورتی خوب هستند که ما تعدادی نمونه یکسان داشته باشیم. اما روشهای غیر مخرب باعث آسیب به نمونه ها نمی شود. البته حتی روشهای غیر مخرب مانند بررسی طیف عبور که از لحاظ تئوری روشی کاملاً غیر مخرب محسوب می شود، به هر حال به نمونه ها آسیب می زند. البته این آسیب نه بخاطر خود نوع بررسی است بلکه وقتی ما نمونه را درون  نگه دارنده قرار میدهیم، همین جابجایی باعث آسیب رساندن به نمونه ها خواهد شد.

روشهای بدست آوردن ضخامت

اولین تحلیل که بایستی روی لایه های نازک انجام شود. اندازه گیری ضخامت لایه نازک است. اگر نتوانیم ضخامت لایه نازک را اندازه گیری کنیم نمی توانیم هیچ پارامتری را از لایه نازک بدست آوریم، و در لایه نازک سخت ترین اندازه گیری، ضخامت سنجی است. چون ابعاد در حدود میکرومتر و نانومتراست بنابراین دقت اندازه گیری بسیار حساس می شود. روشهایی برای اندازه گیری ضخامت لایه نازک ابداع شده است که هر کدام براساس ویژگی خاص خودشان اهمیت پیدا می کنند. با این همه هیچ روشی وجود ندارد که بتواند واقعاًَ بدون هیچ خطایی ضخامت لایه نازک را تخمین بزند. روشهای اندازه گیری ضخامت را می توان به سه دسته تقسیم کرد:

الف- روشهای الکتریکی     ب- روشهای مکانیکی      ج- روشهای نوری

- روشهای اپتیکی برای بدست آوردن ضخامت

راههای اندازه گیری ضخامت لایه های نازک بوسیله اندازه گیریهای نوری بسیار فراوان هستند. شاید بتوان گفت دقیق ترین و ساده ترین راههای اندازه گیری ضخامت راههای اپتیکی هستند [20-29] چون

یکم: دقت بالایی دارند.

دوم: ساده می باشند.

سوم :به  نمونه آسیب وارد نمی کنند.

نور جز تابشهای  الکترومغناطیسی است . منظور از نور در این نوشتار از تابش های نزدیک فرو سرخ تا ماوراء بنفش می باشد. بنابراین نورمرئی یعنی آن چیزی که توسط چشم قابل مشاهده است بخشی از نور است.

امواج الکترومغناطیس قابل جمع پذیری هستند. یعنی اگر دو تابش با هم جمع شوند. می توانند تداخل سازنده و یا وایرنگر داشته باشند.

روشهای اپتیکی به دو دسته بزرگ تقسیم پذیر هستند.

یکم: روشهایی که بر پایه تداخل می باشند.

دوم : روشهایی که بر پایه تداخل نیستند.

روشهایی که بر پایه تداخل می باشند،آن دسته از روشهایی هستند که چند دسته پرتو که ازمنبع یکسانی تابش شده اند ، (می توانند منابع یکسان نداشته باشند،اما از لحاظ عملی یکسان بودن منبع سهل الوصول تر است.) چند مسیر متفاوت را طی می کنند(که این اختلاف راه عموماً به علت ضخامت لایه نازک پدید می آید. ) و سرانجام با هم جمع شوند. اگر این اختلاف راه (ضخامت لایه نازک ) به اندازه کافی باشد، می توانند با هم تداخل سازنده و یا ویرانگر انجام دهند. بر اثر این تداخل می توان ضخامت لایه نازک را بدست آورد.

روشهای وابسته اثرهای تداخلی

در این روشها اساس بر تداخل نور است.

روش اپتیکی با استفاده از الگوهای تداخلی

یکی از روشهای نوری دقیق متداول برای اندازه گیری ضخامت لایه های نازک، روش اپتیکی با استفاده از الگوهای تداخلی است.چنانچه نوری تک رنگ توسط لایه نازک گوه ای شکل از هوا تداخل کند، نوارهای تاریک و روشن مشاهده خواهد شد. برای لایه ای که ضخامت آن یکسان نباشد نوارها شکلی غیر یکنواخت خواهند داشت.این روش بعنوان روش استاندارد و دقیق در محاسبه ضخامت لایه های نازک بکار گرفته می شود.

روش اپتیکی محاسبه ضخامت بدست آمده توسط سوآن پول[1] ]17[

در روش قبلی ما تنها یک طول موج را برای محاسبه ضخامت لایه نازک بکار می بردیم. در روش سوآن پول برای اینکه ضخامت لایه نازک را بدست آوریم از یک گستره طول موجی استفاده می شود. در این روش یک زیر لایه شفاف که ضخامت آن خیلی بیشتر

از طول موج نور است، و بر روی آن لایه نازک شفاف نشانده شده است به عنوان سیستم در نظر گرفته می شود. در این روش میزان عبور

(2-52)                                                                                                                  

است که در آن

(2-53)                                                                                                         

(2-54)                                                                                     

(2-55)                                                      

(2-56)                                                                                   

(2-57)                                                                               

است . طیف ناشی از پرتو عبوری در طول موجهایی که در رابطه

(2-58)                                                                                                                                                    

صدق کند، دارای اکسترمم هستند که به ازاءm صحیح ماکزیمم وm نیم صحیح مینیموم است. اگر در رابطه بگذاریم:

(2-59)                                                                                                                   

(2-60)                                                                                                                    

 

با بررسی طیف عبور لایه نازک(شکل(2-11)) می بینیم که می توانیم سه ناحیه، شفاف جذب متوسط و جذب قوی را مشاهده کنیم.

 

شکل(2-11) منحنی عبور لایه نازک  شکاف  ]17[

الف. ناحیه شفاف

که در این ناحیه می باشد بنابراین :

(2-61)                                                                                                                                                    

(2-62)                                                                                                                        

و یا

(2-63)                                                                                              

که در آن

(2-64)                                                                                                             

sضریب شکست بستر یا همان زیر لایه است.

 

ب. ناحیه جذب متوسط

در این ناحیه  بنابراین :

(2-65)                                                                                                                                            

(2-66)                                                                                                                         

   که در آن

(2-67)                                                                                                                                               میباشد.

برای تعیین ضخامت از رابطه

 (2-68)                                                                                                                                     

استفاده می کنیم که در آن طول موج و nضریب شکست مربوط به دو اکسترمم متوالی می باشد.

کاربردهای تداخل برای سنجش یکنواختی

همیشه نمی توان گفت که با لایه های یکنواخت سروکار داریم [20و27] . اصولاً هیچ لایه نازکی یکنواخت نیست. چون هنوزهیچ دایرهای واقعاً دایره نیست!اما همیشه این نایکنواختی قابل قبول نیست. بنابراین اگر ضخامت لایه نازک اندازه گیری شد ، لازم است یکنواختی لایه نازک هم اندازه گیری شود. ساده ترین روشها ،روشهای اپتیکی هستند. این روشها علاوه بر سادگی دقت بالایی دارند. اگر به قطرات روغن پاشیده شده روی آب نگاه کنیم آنها در مقابل نور روز رنگی به نظر می رسند. این هاله های رنگی بعلت انکسار نور است. اگر تابش چشمه گسترده تحت زاویه ای به لایه ای با ضخامت متغییر فرود آید

بدست آوردن ضخامت و پارامترهای نوری لایه نازک به کمک نر م افزارPUMA

در PUMA ، ما ابتدا چند فرض منطقی را در نظر می گیریم ]28-24[ :

 

الف – به ازاء

ب-  منحنی کاهشی نسبت به هستند.

ج- منحنی  ، یک منحنی محدب است.

د-به ازاء، اگرباشدمنحنی بصورت منحنی محدب و اگر باشد، منحنی مقعر است.

حال اگر این مفروضات را داشته باشیم برای منحنی عبور داریم:

(2-101)                                                                                                                

که در آن

(2-102)                                                                                                                      

(2-103)                                                                                    

(2-104)                                                                

(2-105)                                                                                                     

(2-106)                                                                                                                                              

به ازاء  هرT یک شرط مقید که همان منحنی است و چهار شرط نامقید داریم. حال تعداد، مجهولات ما در این مسئله تنها سه مجهول است که ضریب شکست ، nوضریب خاموشی، k و ضخامت،d می باشد. بنابراین تعداد قیود ما بیشتر از مجهولات مسئله است و تعداد جوابهای مسئله بی نهایت نیست. حال اگر ما بتوانیم یک منحنی برای ضریب شکست وضریب خاموشی معین کنیم و مقدار ضخامت را حدس بزنیم این جوابها وقتی به مقدار واقعی خود نزدیک میشود که مقدار

 

(2-107)                                                                                                          

 به حداقل مقدار خود برسد. در اینجا گروه تهیه کننده نرم پوما ، افزار از روش گفته شده در مقاله مارکوس رایدان [2]استفاده          کردند ]30[. در مقاله را یدان ، از روشBBG[3] استفاده شده است. برای کمینه کردن یک تابع با مقدار زیاد متغیر غیر قید ، روش زیر پیشنهاد شده است:

(2-108)                                                                                                                                             

(2-109)                                                                                                                                                 

 (2-110)                                                                                                                                            

که در آن

(2-111)                                                                                                                       

(2- 112)                                                                                                                                      

(2-113)                                                                                                                                        

(2-114)                                                                                                                                            

که در آن ، گرادیان برداری تابع در نقطه است .

 

 

 

 

 

 

 

الگوریتم جهانی برزیلیا و بروین این گونه است:

(2-115)

 از فرض های 1 و 2 و همچنین فرض های 3و4 داریم:

 

 (2-116)                                                                    

(2-117)                                                                                                       

(2-118)                                                                                                   

(2-119)                                                                                                      

بنابراین بصورت خلاصه داریم:

(2-120)                                                                                                                           

(2-121)                                                                                                                        

(2-122)                                                                                                          

(2-123)                                                                                                        

(2-124)                                                                                                        

 

هدف ما این است که :

(2-125)                                                              

می توانیم بنویسم

(2-126)                                                                                                               

(2-127)                                                                                                            

(2-128)                                                                                               

(2-129)                                                                                                

(2-130)                                                                                               

حال به هدف خود باز می گردیم.

ما بازه تا را به N قسمت مساوی تقسیم می کنیم.

(2-131)                                                                                                                                          

که هر قسمت آن برابر است با h:

(2-132)                                                                                                            

(2-133)                                                                                                    

حال می توانیم بنویسیم

(2-134)                                                                                                                                 

(2-135)                                                                                                        

(2-136)                                                                                    

(2-137)                                                                              

(2-138)                                                                                       

(2-139)                                                                                   

میبینیم این معادله بصورت

(2-140)                                                                      Minimize     

 

تبدیل می شود.اگر معادله را بصورت

(2-141)                                                                         Minimize

در نظر بگیریم . بسیار شبیه معادلات استفاده شده در مقاله را یدان است. بنابراین گروه نرم افزار پوما، الگوریتم  BBG را برای حل معادله های لایه نازک پیشنهاد کردند:

در اینجا

(2-142)                                                                                                                                            

می باشد. و نیز

(2-143)                                                                                                                                       

(2-144)                                                                                                                       

(2-145)                                                                                                                                               

(2-146)                                                                                                                                                     

 با توجه به این فرضها ،حالا می توان الگوریتم نرم افزار پوما را به این صورت در نظر گرفت:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2-147)

نرم افزار پوما با روشهای مختلفی مقایسه شده است. به طور قطع می توان گفت پوما از بهترین نرم افزار ها برای تعیین خواص اپتیکی    لایه های نازک از جمله تعیین ضخامت است.

2-7- مقایسه بین روش به کار رفته در پوما و روشهای تداخلی

در نرم افزار پوما نیازمند  به هیچ فرض غلط و یا ناحیه ای نیستیم. لایه نازک می تواند در ناحیه شفاف و یا جذب ضعیف باشد. همچنین هیچ محدودیتی از لحاظ ضخامت ندارد.

2-7-1- وابستگی به ضخامت

در نرم افزار پوما وابسته به ضخامت نیستم و در هر ضخامتی می توانیم از پوما استفاده کنیم اما روشهای تداخلی نیاز به اختلاف مسیر دارند. این اختلاف مسیر وابسته به ضخامت است بنابراین در تمام ضخامتها نمی توانیم از آن روش ها استفاده کنیم.

 

 

2-7-2- وابستگی به مفروضات غلط

شاید فرضهایی که ما در روشهای تداخلی انجام می دهیم فرضهای غلطی نباشند اما به هر حال در به دست آوردن پارامترهای اپتیکی لایه های نازک اندکی  خطا وارد محاسبات می کنیم. بنابراین فقط می توانیم در انواع خاصی از لایه های نازک از روشهای تداخلی استفاده کنیم که این مفروضات ما صادق باشند.

2-7-3- استفاده نکردن از تمام اطلاعات

در روشهای تداخلی تنها از نقاط اکسترمم استفاده می کنیم یعنی تعداد زیادی از پارامتر های ما بدون استفاده رها می شوند. در صورتی که در پوما ارزش تمام نقاط یکسان است.  ضمن آنکه به دست آوردن نقاط اکسترمم به آسانی مقدور نیست.

2-7-4- پیچیدگی در لایه های چندگانه

استفاده از روشهای تداخلی ، برای حل معادلات لایه های نازک چند لایه ، پیچیده تر از حل معادلات لایه های نازک تک لایه است .

 حتی در بعضی موارد حل کردن غیر ممکن است. با استفاده از نرم افزار پوما  به سادگی می توان این محاسبات را انجام داد.

 

 

 

 

 

 



1- R.swanepoel

[2] - Marcos Raydam

[3]-Barzilai and Borwein Gradient

  
نویسنده : ایرج علیمیرزایی ; ساعت ٢:٠٥ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٧/٢/۱٤