بررسی اثر دمای زیرلایه بر خواص ساختاری و فیزیکی لایه نازک کربن انباشت شده به روش کندوپاش پرتو یونی

محورهای موضوعی : عملیات حرارتی

الهام محقق پور ¹ , مرجان رجبی ² , رضا غلامی پور ³ , مجید مجتهدزاده لاریجانی ⁴ , شهاب شیبانی ⁵

1 - دانشجوی دکتری
2 - هیات علمی سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران
3 - هیات علمی سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران
4 - هیات علمی پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای
5 - هیات علمی پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای

تاریخ دریافت : 1395/07/05 تاریخ پذیرش : 1396/12/21 تاریخ انتشار : 1396/12/01

کلید واژه: "لایه نازک", "کربن آمورف", "دمای زیرلایه", "کندوپاش پرتو یونی",

چکیده مقاله :

در تحقیق حاضر اثر دمای زیرلایه در محدوده ºC 400-36 بر خواص ساختاری و فیزیکی لایه نازک کربن ایجاد شده بر سطح شیشه به روش کندوپاش پرتو یونی بررسی شده است. خواص نوری و ساختاری لایه به ترتیب به وسیله طیف سنجی UV-visible، طیف سنجی رامان و میکروسکوپ نیروی اتمی مورد مطالعه قرار گرفته است. اندازه گیری طیف عبور نمونه ها کاهش میزان عبور نور در محدوده مرئی با افزایش دمای انباشت را نشان می دهد. طیف رامان لایه ها نشان می دهد که ساختار لایه نازک کربن آمورف با افزایش دمای انباشت به سمت کربن آمورف گرافیتی تغییر می کند. بررسی لایه های انباشت شده در دمای بالاتر از ºC100 نشاندهنده روند کاهشی مقاومت الکتریکی اندازه گیری شده توسط روش چهار کاوه و انرژی نوار ممنوعه با افزایش دمای انباشت می باشد. در حالی که نتایج بررسی مورفولوژی سطح افزایش زبری سطح در اثر افزایش دمای زیرلایه را نشان می دهد. در نمونه های انباشت شده در دمای ºC100، حداقل اندازه خوشه های کریستالی گرافیتی با پیوندهایsp2 برابر با nm 36/0 و حداکثر انرژی نوار ممنوعه برابر با eV‎ 3 می باشد.

چکیده انگلیسی:

In this study the effect of substrate temperature (from room temperature (RT) to 400°C) on the sructural and physical properties of cabon thin films were investigated. The films were prepared by ion beam sputtering deposition technique on glass substrate. Optical and structural properties were studied by UV-visible spectroscopy, Raman spectroscopy and atomic force microscopy, respectively. The results showed that optical transparency decreased with the increase in the substrate temperature. Raman spectra indicated a structural transition from amorphous to graphite-like phase by increasing temperatures since in the spectra; D peak disappeared in the layer at the substrate temperature of 400°C. The result of sheet resistance and the optical band gap showed the reduction trend by the increase in the substrate temperature from 100 to 400°C. However the enhancement of the surface roughness with the substrate temperature was observed. In the layer prepered with the substrate temperature equal to 100 °C , a minimum size of the graphite crystallites (with sp2 bands (La)) was equal to 0.36 nm and a maximum optical band gap was equal to 3 eV.

منابع و مأخذ:

[1]    J. Robertson, “Diamond-Like Amorphous Carbon”, Materials Science and Engineering R, Vol. 37, pp. 129-281, 2002.

 [2]    S. Aisenberg & R. Chabot, “Ion-beam deposition of thin films of diamondlike carbon”, Journal of Applied Physics, Vol. 42, pp. 2953–2958, 1971.

 [3]    Y. Tanga, Y. S. Li b, Q. Yanga & A. Hirose, “Characterization of hydrogenated amorphous carbon thin films by End-Hall ion beam deposition”, Applied Surface Science, Vol. 257, pp. 4699–4705, 2011.

 [4]    W. S. Choi & B. Hong, “Synthesis and Characterization of Diamond-Like Carbon Protective AR Coating”, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 45, pp. S864-S867,2004.

 [5]    N. Dwivedi, S. Kumar, H. K. Malik, C. M. S. Govind, O. S. Rauthan & Panwar, “Correlation of sp³ and sp² fraction of carbon with electrical, optical and, nano-mechanical properties of argon-diluted diamond-like carbon films”, Applied Surfase Science, Vol. 257, pp. 6804–6810, 2011.

 [6]    S. Schelz, T. Richmond, P. Kania, P. Oelhafen & H. J. Güntherodt, “Electronicd atomic structure of evaporated carbon films”, Surface Science, Vol. 359, pp. 227-236, 1996.

 [7]    J. Besold, R. Thielsch, N. Matz, C Frenzel, R. Born & A. Mobius, “Surface and bulk properties of electron beam evaporated carbon films”, Thin Solid Films, Vol. 293, pp. 62-102, 1997.

 [8]    T. Hubacek, O. Lyutakov, V. Rybka & V. Svorcik, “Electrical properties of flash-evaporated carbon nanolayers on PTFE”, Journal of Materials Science, Vol. 45, pp. 279-281, 2010.

 [9]    M. Yaria, M. M. Larijani, A. Afshar, M. Eshghabadi & A. Shokouhy, “Physical properties of sputtered amorphous carbon coating”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 513, pp. 135-138, 2012.

 [10] H. Y. Dai, X. R. Cheng, C. F. Wang, Y. C. Xue, & Z. P. Chen, “Structural, optical and electrical properties of amorphous carbon films deposited by pulsed unbalanced magnetron sputtering”, Optik, Vol. 126, pp. 861-64, 2015.

 [11] Modabber Asl, P. Kameli, M. Ranjbar, H. Salamati & M. Jannesari, “Correlations between microstructure and hydrophobicity properties of pulsed laser deposited diamond-like carbon films”, Super lattices and Microstructures, Vol. 81, pp. 64-79, 2015.

 [12] Voevodin & M. Donley, “Preparation of amorphous diamond-like carbon by pulsed laser deposition: a critical review”, Surface Coating Technology, Vol. 82, pp. 199-213, 1996.

 [13] E. Mohagheghpour, M. Rajabi, R. Gholamipour, M. M. Larijani & S. Sheibani, “Correlation study of structural, optical and electrical properties of amorphous carbon thin films prepared by ion beam sputtering deposition technique”, Applied Surface Science, Vol. 360, pp. 52-58, 2016.

 [14]    م. یاری، م. مجتهدزاده و ع. افشار، "تأثیر زمان لایه نشانی بر خواص ساختاری و فیزیکی پوشش های کربنی لایه نشانی شده با روش کندوپاش مگنترونی"، فصلنامه علمی-پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 5، شماره 2، صفحه 10-1، تابستان 1390.

 [15] A. C. Ferrari & J. Robertson, “Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon”, physical review, Vol. 61B, pp. 14095-14107, 2000.

 [16] C. Ferrari, “Determination of bonding in diamond-like carbon by Raman spectroscopy”, Diamond and Related Materials, Vol. 11, pp. 1053-1061, 2002.

 [17] Weissmantel, H. J. Erler & G. Reisse, “Ion Beam Techniques for Thin and Thick Film Deposition”, Surface Science, Vol. 86, pp. 207-221, 1979.

 [18] M. Kitabatake & K. Wasa, “Growth of diamond at room temperature by an ion-beam sputter deposition under hydrogen-ion bombardment”, Journal of Applied Physics, Vol. 58, pp. 1693-1695, 1985.

[19] M. A. Capano & N. T. McDevitt, “Characterization of amorphous carbon thin films”, Journal of Vacuum Science & Technology, Vol. 14A, pp. 431, 1996.

 [20] Z. Tang, Z. Zhang, K. Narumi, Y. Xu, H. Naramoto, S. Nagai & K. Miyashita, “Effect of mass-selected ion species on structure and properties of diamond-like carbon films”, Journal of Applied Physics, Vol. 89, pp. 1959–1964, 2001.

 [21] S. Kataria, S. Dhara, H. C. Barshilia, S. Dash & A. Tyagi, “Evolution of coefficient of friction with deposition temperature in diamond like carbon thin films”, Journal of Applied Physics, Vol. 112, pp. 023525, 2012.

 [22] Alexandrou, A. J. Papworth, C. J. Kiely, G. A. J. Amaratunga & L. M. Brown, “Calculation of the bandgap and of the type of interband transitions in tetrahedral amorphous carbon using electron energy loss spectroscopy”, Diamond and Related Materials, Vol. 13, pp. 1408–1411, 2004.

 [23] Sk. F. Ahmed, M. W. Moon & K. R. Lee, “Effect of silver doping on optical property of diamond like carbon films”, Thin Solid Films, Vol. 517, pp. 4035–4038, 2009.

 [24] M. Pal, K. Hirota & H. Sakata, “Electrical and optical properties of as-deposited V2O5 –TeO2 amorphous films and their annealing effect”, physica status solidi, Vol. 196A, pp. 396–404, 2003.

 [25] M. Elena, S. Vergara, J. C. A. Huitron, A. R. Gomez & J. N. R. Burstin, “Determination of the optical gap in thin films of amorphous dilithiumphthalocyanine using the Tauc and Cody models”, Molecules, Vol. 17, pp. 10000-10013, 2012.

 [26] V. Vasin, L. A. Matveeva & A. M. Kutsa, “Analysis of the fundamental absorption edge in amorphous hydrogenated carbon films”, Technical Physics Letters, Vol. 25, pp. 83-87, 1999.

 [27]    ا. اسحاقی، ف. مجیری، ا. کرمی و ا. ابراهیم زاده، "اثر اعمال نانو فیلم کربن شبه الماسی بر بازدهی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی"، فصلنامه علمی-پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 9، شماره 2، صفحه 15-9، تابستان 1394.

 [28] P. K. Chu & L. Li, “Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films”, Materials Chemistry and Physics, Vol. 96, pp. 253–277, 2006.

 [29] O. Durand-Drouhin, M. Lejeune & M. Benlahsen, “Growth and bonding structure of hard hydrogenated amorphous carbon thin films deposited from an electron cyclotron resonance plasma”, Journal of Applied Physics, Vol. 91, pp. 867–873, 2002.

 [30] O. Durand-Drouhin, A. Zeinert, M. Benlahsen, K. Zellama, R. Kr´e, G. Turban & A. Grosman, “On the microstructural, optical and mechanical properties of hydrogenated amorphous carbon films deposited in electron cyclotron resonance plasma”, Diamond and Related Materials, Vol. 9, pp. 752–755, 2000.