پایان نامه رشد نانولایه دی اکسید تیتانیوم و بررسی خواص الکترواپتیکی و سطحی آن


دنلود مقاله و پروژه و پایان نامه دانشجوئی

پایان نامه رشد نانولایه دی اکسید تیتانیوم و بررسی خواص الکترواپتیکی و سطحی آن مربوطه  به صورت فایل ورد  word و قابل ویرایش می باشد و دارای 125صفحه است . بلافاصله بعد از پرداخت و خرید لینک دانلود پایان نامه رشد نانولایه دی اکسید تیتانیوم و بررسی خواص الکترواپتیکی و سطحی آن نمایش داده می شود، علاوه بر آن لینک مقاله مربوطه به ایمیل شما نیز ارسال می گردد

 فهرست

1  میکروسکوپ نیرو اتمی       1
1-1 پیشگفتار     2
2-1 نحوه عملكرد AFM     4
1-2-1 آشکارسازی جهت گیری تیرک    6
2-2-1 روشهای تصویر برداری در AFM      8
3-1 حالت های مختلف کارکرد AFM      10
1-3-1 حالت های تماسی       11
2-3-1 حالت غیر تماسی       16
3-3-1 حالت شبه تماسی       17
4-1 انواع مختلف میکروسکوپ نیرو اتمی از لحاظ کاربرد     21
1-4-1 میکروسکوپی نیروی افقی (LFM)    21
2-4-1 میکروسکوپی نیروی مغناطیسی (MFM)       21
3-4-1 میکروسکوپی نیروی الکتریکی (EFM)      22
4-4-1 میکروسکوپی پیمایشی سطح (SSPM)    22
5-4-1 حسگر نیرو       23
6-4-1 منحني هاي نيرو- فاصله     23
5-1 تیرک (Cantilever)    24
1-5-1 هندسه تیرک        24
2-5-1 جنس و پو شش  27
6-1 سوزن (tip)  28
1-6-1 جنس و پوشش      28
2-6-1 انواع روکشها     29
3-6-1 دسته بندی بر اساس خصوصیات هندسی    31
7-1 خطاها در تصاویر و نتایج AFM     35
1-7-1 خطاهای سوزن    35
2-7-1 خطاهای ابزار روبش        38
3-7-1 خطاهای لبه       40
4-7-1 خطاهای راندگی روبش       41
5-7-1 پردازش تصویر      41
6-7-1 نوسانات        42
7-7-1 منابع دیگر ایجادکننده خطا      44
8-1 مقایسه بین AFM و ساير ابزارهاي بررسی خصوصیات    44
2 برهمكنش هاي بين سوزن میکروسکوپ نیرو اتمی و سطوح جامد     47
1-2 مقدمه    48
2-2 نیروهای بین سوزن و سطح جامد     48
1-2-2 نیروهای شیمیایی       49
2-2-2 الگوی پوسته ای  51
3-2-2 معایب و مزایا الگوی پوسته ای     54
4-2-2 تئوری تابعی چگالی        54
5-2-2 نظریه تابعی چگالی موضعی (LDA)   56
6-2-2 تئوری هارتری- فوک (HF)  58
3-2 نیروهای واندروالسی     59
1-3-2 محاسبه نیروی واندروالسی بین سوزن کروی و سطح جامد  61
2-3-2 برهمکنش بين اتم- کره     61
3-3-2 برهمکنش واندروالسی بین دی الکتریک کروی و یک سطح دی الکتریک
بلوری      62
4-2 الكتروستاتيك كلوني    64
5-2 نیروهای تصویری        66
6-2 نیروهای اتلافی واندروالسی      68
7-2 نیروهای مغناطیسی    70
8-2 نیروهای مویینگی        71
9-2 الگوی صفحات موازی با اعمال ولتاژ DC    72
1-9-2 الگوی صفحات موازی برای نیروی جاذبه بین سوزن و سطح    74
2-9-2 محدودیت ها و معایب روش صفحات موازی       76
3-9-2 مزیت های الگوی صفحات موازی      77
10-2 الگوی ظرفیت      77
1-10-2 مزیت های الگوی ظرفیت     79
2-10-2 محدودیت های الگوی ظرفیت       80
3 رشد و مشخصه یابی نانو لایه دی اکسید تیتانیوم    81
1-3 مقدمه    82
2-3 انباشت به روش تبخیر فیزیکی (PVD)   83
1-2-3 روش تبخیر     83
3-3 زیر لایه ها و ویژگیهاي آنها      84
4-3 شرایط انباشت نانو لایه دی اکسید تیانیوم به روش کندوپاش    86
5-3 شکل بلوری دی اکسید تیتانیوم     87
1-5-3  بررسی تأثیر دما در تولید فازهای بلوری آناتیس و روتیل    89
2-5-3 بررسي اثر فشار كمكي اكسیژن در تولید فازهای مختلف آناتیس و روتیل…      90
6-3 خواص اپتیکی دی اکسید تیتانیوم      92
1-6-3 انعکاس و عبور توسط یک لایه نازک   تداخل     92
2-6-3 تأثیر دمای زیر لایه بر درصد عبور    94
3-6-3 بدست آوردن بندگاف لایه نازک دی اکسید تیتانیوم     96
7-3 منحنی های بدست آمده از NC-AFM روي سطح TiO2   99
1-7-3 بدست آوردن گذردهی الکتریکی نانو لایه دی اکسید تیتانیوم  100
منابع        102
4 نتیجه گیری     109
1-4 بررسی نتایج آزمایشگاهی تأثیر دما در تولید فازهای آناتیس و روتیل   110
2-4 بررسي اثر فشار كمكي اكسيژن در تولید فازهای مختلف آناتیس و روتیل………   110
3-4 خواص اپتیکی دی اکسید تیتانیوم     110
4-4 تأثير دمای زیر لایه  بر درصد عبور و ضريب شكست لايه  111
5-4 نتایج مقدار  بند گاف بدست آمده لایه نازک دی اکسید تیتانیوم  112
6-4 نتایج و بررسی های منحني هاي بدست آمده از NC-AFM روی سطح   TiO2      112
منابع      114
پیوست  124

منابع

[1]  T. C. Kaspar, S. M. Heald, Phys. Rev. Lett. 95 217203 (2005).

[2] Y. Mastumoto, M. Muraka, T. Shono, Science 291, 854 (2001).

[3] S. B. Ogale etal. Phys. Rev. B 67, 115211(2003).

[4] S. Chamber, S. M. Heald, Phys. Rev. B 67, 100401 (2003).

[5] K. A. Griffin, A. B. Pakhomov, C. M. Wang, Phys. Rev. Lett. 94, 157204 (2005).

[6] D. Dietl, H. Hwang, S. Das Sarma, Phys. Rev. Lett. 92, 117201 (2004).

[7] T. Durst, R. N. Bhatt, A. Wolf, Phys. Rev. B 68, 235210 (2002).

[8] A Kaminiski, S. Das Sarma, Phys. Rev. B 88, 247202 (2003).

[9] S. R Shinde etal, arXiv:cond-mat/0505265

[10] S. X. Zhang, S. B. Ogale, L. F. Fu etal, Appl. Phys. Lett. 88, 012513 (2006).

[11] G. Tyuliev and S. Angelov, Appl. Surf. Sci. 32, 381 (1988).

[12] D. C. Cronemeyer Phys. Rev. 113, 1222 (1959).

[13] J. Kwo, M. Hong et al., J. Cryst. Growth 251 (2006), p. 645.

[14] Yi. Chen, Hsin. Yi. CHINESE  JOURNAL OF PHYSICS 33 (2000), p. 232.

[15] G. Vidali, G. Ihm, Surf. Sci. Reports 12, p. 133 (1999).

[16] X. D. Wang, J. Kulik, Mater. Res. Soc. Sympproc. 738, p. 183 (2003).

[17] H. Arakawa, K. Umemura and A. Ikai, Nature 358, p. 171 (1992).

[18]  B. N. J. Persson, Chem. Phys. Lett. 60,  p. 366 (1988).

[19]  S. Sze, The Physics of Semiconductor Devices, Wiley New York, p. 411 (1981).

[20]  F. F. Abraham, I. P. Batra, Phys. Rev. Lett. 60,  p. 1314 (1988).

 [21]  H. Yokoyama and T. Inoue, Thin Solid Film 242, p. 33 (2004).

[22]  J. Jahanmir, B.G .Haggar, Scanning Microsc. 6, p. 625 (2002).

[23]  U. Durig, O. Zuger, J. Microsc. 152, p. 259 (2003).

[24]  G. D. Wilk, R. M. Wallace and J. M. Anthony, J. Appl. Phys. 89 ,p. 5243 (2005).

[25]  R. M. C. De Almeida and I. J. R. Baumvol, Surf.Sci. Rep. 49, p. 1 (2003).

[26] K. Miyaket etal., J. Appl. Phys. 91,  3468  (2002).

[27] A. S. Foster, A. l. Shluger, Appl. Phys  A (2000).

[28] R. Bennewitz, A. S. Foster, Phys. Rev. B 62, 2074 (2000).

[29] Van Roij, J. Phys. Condens. Matter, 11, 10047 (1999).

[30]  K. H. Lau and W. Kohn, Surf .Sci 75, 69 (1978)

[31] Li. F. B, Thompson G. E. and Newman R. C.  Appl .Surf. Sci 126,  21 (1998).

[32] J. F. Annett and P. M. Echenique, Phys. Rev. B 36, 8986 (2001).

[33] D. A. Allwood  etal., Science  296,  2003  (2002).

[34]  B.C. Stipe, H.J. Mamin, T.D. Stowe, T.W. Kenny and D. Rugar, Phys. Rev. Lett. 87 096801 (2001).

 [35] H. B. G. Casimir and D. Polder, Phys. Rev. 73, 360 (1947).

 [36] B. N. J. Persson and Z. Zhang, Phys. Rev. B 57, 7327 (1998).

 [37] J. B. Pendry, J. Phys.: Condens. Matter 9, 10301, (1997).

[38] انجمن علمي دانشجويي نانوتکنولوژي دانشکده فني دانشگاه تهران، “نانوتکنولوژي آيينه تکنولوژي آفرينش”، تهران 1380

[39]  How AFM works from “The tip-sample interaction in atomic force microscopy and its implications for biological applications “, Ph.D. thesis by David Baselt, California Institute of Technology,

[40] Scanning Tunneling Microscopy : A Tutorial” from the Department of Chemistry & Biochemistry at the University of Guelph.

[41] G. Y. Jing , Jun. Ma and D. P. Yu* State Key Laboratory for Mesoscopic Physics, School of Physics, Peking University Beijing 100871, P. R. China

 [42] P. W. Murray, N. G. Condon, Phys, Rev. B 51, 10989 (1995).

[43] H. Onishi and Y. Iwasawa, Surf. Sci. 313 L783  (1994).

[44] P. J. Moller, M. C. Wu, Surf. Sci. 329 241 (1995).

[45] S. Munnix and M. Schmeits, Phys. Rev. B 31, 3369 (1985).

چکیده

      حدود 95% کاربرد تیتانیوم در صنعت بصورت دی اکسید این ماده است. با توجه به اهمیت خصوصیات فتوکاتلیستی این ماده، که موجب كاربري اين ماده در پزشكي، صنايع شيشه سازي، سطوح خود تميزشونده و سلول‌هاي خورشيدي شده است. علاوه بر اين نانو لایه دي اكسيد تيتانيوم آناتیس مي‌توانند در بهبود خواص كامپوزيت‌هاي پليمري از جمله پلي آنيلين، كه يكي از پركاربردترين پليمرهاي رسانا است، استفاده كرد. كليه كاربردهاي این ماده که  ناشی از خواص اپتیکی، الکتریکی و بلوری آن است و تواناییهای بررسی خصوصیات تا مقیاس اتمی، بوسیله میکروسکوپ نیرو اتمی، باعث شده تا در این پژوهش سعی شود تا این بررسی ها انجام پذیرد.

     در ابتدا به شرح اجزا و نحوه عملکرد و خطاهایی که ممکن است در هنگام کار یا تحلیل نتایج میکروسکوپ نیرو اتمی بدست آید پرداخته شده است. سپس شرح و بررسی نیروهای بین سوزن و سطح و الگوهایی جهت محاسبه این نیروها آمده است. همچنین پس از رشد نانو لایه دی اکسید تیتانیوم به روشهای کندوپاشی و تبخیری روی زیر لایه های شیشه و سیلیکون تک بلور  به بررسي خواص بلوری با استفاده از دستگاه XRD و ويژگیهای اپتیکی با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر دو پرتویی و خواص سطحی و الکتریکی با استفاده از AFM و مقايسه نتايج آزمایشگاهی بدست آمده با مطالعات تئوری پرداخته شده است. در پایان نیز تحلیل و نتیجه گیری آمده است.

     بررسی های بدست آمده نشان می دهد که با وجود توافقات خوبی که در مورد برخی از بررسی های انجام شده روی خصوصیات سطح TiO2 با استفاده از AFM و نتایج تئوری وجود دارد اما هنوز خلأ تئوری کاملی برای توصیف تمامی خصوصیات سطح احساس می گردد.

1-1    پیشگفتار

      میکروسکوپ نیرو اتمی[1] یا به عبارت دیگر میکروسکوپ نیرو پویشی[2] نخستین بار توسط بنینگ[3] و گربر[4] در سال1986 اختراع شد. اولینAFM  از یک قطعه کوچک الماس که به انتهای یک نوار کوچک طلا بسیار دقیق چسبانده شده بود ساخته شد. در حالیکه نمونه زیر تیپ روبش می شد یک قلاب کوچک در انتهای نگهدارنده بر روی سطح فشار وارد می آورد. نیرویی که بین تیپ و نمونه وجود داشت، باعث خم شدن نگهدارنده می شد، که با استفاده از آشکار ساز جریان جمع شده در نگدارنده مشخص می گردید. اولین اندازه گیری روی نیترید برم انجام شد، که توانست خصوصیات سطح را تا °A300 تعیین کند. در نوع امروزی نیز اساس کار تغییری نکرده و فقط آشکارسازی بوسیله ابزار اپتیکی انجام می شود. همانند سایر میکروسکوپ های پروب روبشی در AFM نیز از یک پروب بسیار تیز استفاده شده است که طی فرایند روبش بر روی سطح نمونه حرکت میکند. در میکروسکوپ، پروب در قسمت انتهایی نگهدارنده[5] قرار گرفته که در واقع نوک ابزار را تشکیل میدهد که بر اثر نیروی بین قسمت سر پروب و نمونه خم می شود. در اولین طرحی که از ابزار  AFMارائه شد از یک میکروسکوپ تونلی پویشی در قسمت انتهای نگهدارنده برای تعیین میزان خمش نگهدارنده استفاده شد اما اکنون در مدلهای مختلف این ابزار از نگهدارنده های نوری استفاده می شود. با خمش نگهدارنده نور لیزر روی دیود نوري دوگانه انعکاس می یابد با اندازه گیری تفاوت سیگنال      A , B)) تغییرات در خمش نگهدارنده را می توان اندازه گیری کرد. حرکت قسمت سر یا نمونه توسط دستگاه موقعیت یاب دقیقی کنترل می شود که از سرامیکهای پیزوالکتریک ساخته شده که اغلب اوقات به شکل یک پویشگر تیوپی است. این پویشگر توانایی حرکت زیر انگستروم را در جهات  x, y, zدارد. قاعدتاً محور zعمود بر موقعیت نمونه قرار دارد از آنجایی که نگهدارنده در جابجاییهای کوچک از قانون هوک پیروی میکند از روی جابجاییهای نگهدارنده می توان نیروی بر همکنش بین تیپ و نمونه را بدست آورد.

      سرامیک های پیزوالکتریک موادی هستند که با اعمال میدان الکتریکی به آنها طولشان در حد آنگستروم تغییر میکند. بنابراین می توان از آنها برای جابجاییهای بسیار کوچک استفاده کرد.

        بشر با اختراع اين وسيله پيشرفت‌هاي بسياري در علم مواد و شناخت سطوح پيدا كرده است كه در بسياري از صنايع از جمله الكترونيك، ارتباطات، خودرو، فضانوردي و انرژي تأثيرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع ميكروسكوپ نيروي اتمي فصل جديدي در پيشرفت فناوري نانو و كاربردهاي صنعتي آن مي‌باشد.AFM   بطور كلي تكنيك جديد و روبه گسترشي است.  ابزاري نويد بخش و پايه‌اي در علوم و نانوتكنولوژي بوده و بسياري از محققين در زمينه‌هاي تحقيقاتي مختلف از آن بهره مي‌گيرند. اغلب تلاشها براي توسعة فناوري مبتني بر ساخت ابزارهاي نانومتري و استفاده از AFM است. AFM توانايي دستيابي به كشفيات جديد در زمينة علوم و فناوري، فيزيك، شيمي، مواد و بيولوژي را به محققين مي‌دهد. راه آيندة علوم و فناوري در صورتي روشن خواهد شد كه رسانه‌هاي خبري و مجامع دولتي نسبت به پوشش خبري و حمايت جدي از تحقيقات و كشفيات جديد در زمينة نانوتكنولوژي اقدام نمايند؛ و البته  AFM ابزاری است که مبناي كار و تحقيق در نانوتكنولوژي می باشد.

 2-1 نحوه عملکرد AFM 

      اصول کلی کار AFM بدین صورت است که یک سوزن[6] بسیار تیز و ظریف به نوک یک  جسم با قابلیت ارتجاع به نام نگهدارنده وصل شده و سر دیگر نگهدارنده به یک بازوی پیزوالکتریک متصل شده است. پشت لرزانک با یک لایه نازک از فلز برای بهبود انعکاس باریکه لیزر از آن روکش شده است. انعکاس باریکه لیزر به منظور آگاهی از جهتگیری نگهدارنده در فضا می باشد. با اعمال اختلاف ولتاژهای مناسب به پیزو الکتریک در راستاهای  x, y, zمحل اتصال نگهدارنده به پیزوالکتریک را می توان به هر نقطه دلخواه از فضای سه بعدی با دقت آنگسترم منتقل کرد. از طرفی به هنگام روبش سطح بوسیله سوزن نیرویی  به سوزن وارد می شود که بزرگی و جهت آن وابسته به فاصله نوک سوزن از سطح و همچنین نوع سطح است.

 نیروی ناشی از سطح باعث خم شدن نگهدارنده می شود باریکه لیزر در صفحه عمود بر افق جا به جا می شود. در نتیجه با آگاهی از میزان خمیدگی نگهدارنده توسط دیودهای نوری و از طرفی معلوم بودن مکان انتهایی نگهدارنده موقعیت فضایی سوزن مشخص می شود. از سوی دیگر میزان خمیدگی بیانگر فاصله سوزن از سطح است که با توجه به مشخص بودن موقعیت فضایی سوزن  موقعیت فضایی سطح تعیین می شود. با تغییر پیوسته اختلاف ولتاژهای اعمال شده به پیزوالکتریک سوزن سطح نمونه را جاروب می کند و با مکانیزم یاد شده موقعیت تک تک نقاط سطح معین می شود و نتیجه در نمایشگر یک کامپیوتر بصورت یک سطح سه بعدی رسم می شود. در نمونه‌هاي ابتدايي چون امكان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رايانه نبود، اين كار با رنگ‌ها انجام مي‌شد. به اين صورت كه رنگ‌هاي تيره براي عمق‌هاي كم و رنگ‌هاي روشن براي عمق‌هاي زياد به كار مي‌رفتند. اما امروزه با استفاده از نرم‌افزارهاي سه‌بعدي ديداري مي‌توان توپوگرافي سطح را در هر سه بعد نشان داد. نکته ای که باید برای بدست آوردن بهترین دقت در نتایج اندازه گیری به آن توجه کنیم این است که باید حین فرایند روبش  فاصله سوزن از سطح در محدوده مناسبی باقی بماند چرا که از یک طرف فاصله زیاد (در این ناحیه نیرو جاذبه است) موجب کم شدن میزان انحراف لرزانک و کاهش نسبت سیگنال به نویز در تعیین مولفه   z مکان سطح می شود. از طرفی فاصله بسیار نزدیک موجب وارد شدن نیروی زیادی به سطح میشود که علاوه بر آسیب زدن به ساختار سطح و سوزن موجب کاهش درجه تفکیک می شود.فرایند ثابت ماندن فاصله سوزن از سطح حین روبش بطور پیوسته بوسیله یک مدار فید بک الکترونیکی صورت می گیرد.

 1-2-1 آشکارسازی جهت گیری تیرک

      همانطور که قبلاً هم اشاره شد تعیین جهت گیری تیرک (میزان و نحوه خمیدگی تیرک) بوسیله آشکارساز انعکاس باریکه لیزر فرودی و بازتابیده از پشت آن صورت می گیرد. (اگر بردار θ بیانگر زاویه بین باریکه لیزر فرودی و بازتابیده باشد آنگاه جهت گیریتیرک θ2 خواهد بود.) میزان تغییر مکان باریکه لیزر بازتابیده بوسیله یک دیود نوری چهار منطقه ای مشخص می گردد. در حالت عادی که لرزانک هیچ انحرافی ندارد باریکه بازتابیده در مرکز دیود نوری قرار دارد به گونه ای که به میزان مساوی هر یک از نواحی چهار گانه را  می پوشاند. خم شدن تیرک، که بر اثر نیروی سطح به سوزن می باشد، باعث جابجایی باریکه در صفحه عمود بر افق و تغییر نسبت پوشش باریکه لیزر در نیمه بالایی و پایین دیود نوری می شود. همچنین پیچش تیرک حول محور آن، که بواسطه نیروی عمود بر سوزن است باعث جابجایی افقی باریکه بازتابیده و تغییر نسبت پوشش باریکه لیزر در نیمه سمت راست و سمت چپ می شود. به شکل 4-1 توجه کنید.

 از طرفی دیود نوری این قابلیت را دارد که شدت نور لیزر را در هر کدام از نواحی چهار گانه اندازه گیری کند بنابراین از روی نسبت پوشش نواحی چهارگانه با محاسبات ساده هندسه می توان میزان انحراف افقی وعمود بر افق باریکه لیزر را تعیین کرد.

       قابل توجه اینکه ماهیت روش بکار گرفته شده برای تعیین تغییر جهت گیری تیرک ایجاب می کند که جابجایی باریکه لیزر بازتابیده بر روی دیود نوری حدود 2000 برابر تغییر در خمیدگی لرزانک باشد و همین نکته باعث توانایی AFMدر آشکار سازی خمیدگیهایی به بزرگی یک آنگستروم تیرک می شود.

2-2- 1    روشهای تصوير برداری در AFM

     تقريباً تمام AFM ها وضعيت هر نمونه را به دو روش استاندارد اندازه مي گيرند: با اندازه گيري ثابت پس خور خروجي (” Z “) يا انحراف ديرک(خطا). مجموع اين دو سيگنال همواره توپوگرافی واقعی را نشان مي دهد، اما با استفاده از حلقه پس خور کاملاً تنظيم شده، از سيگنال خطا مي توان چشم پوشی کرد. پايه نوری AFM مي تواند اصطکاک بين نوک و نمونه را اندازه گيري کند. اگر اسکنر نمونه را عمود بر محور ديرک حرکت دهد اصطکاک بين نوک ونمونه با عث مي شود که ديرک پيچ بخورد. يک حسگر نوری که در دو بعد حساس مکانی است مي تواند حرکت چپ – راست منتج شده از اشعه ليزر انعکاس يافته از حرکت بالا –پايين ايجاد شده توسط تغييرات توپوگرافيکی را تشخيص دهد. بنابراين AFM مي تواند اصطکاک نوک- نمونه را هنگام عکسبرداری از توپوگرافی نمونه اندازه گيری کند.در کنار اندازه گيری خواص نمونه، اصطکاک ( نيروی افقی يا انحراف افقی) مي تواند اطلاعات مفيدی در مورد تاثير متقابل نوک- نمونه بدهد.

  هر برآمدگی يک اتم کربن را نشان می دهد. همچنان که نوک از راست به چپ حرکت می کند، با برخورد به هر اتم به پشت آن مي چسبد. اسکنر به حرکت ادامه مي دهد و نيروهای افقی ساخته می شوند تا زمانی که نوک از اتم عبور کند و به پشت اتم بعدی بچسبد.اين رفتار « چسبيدن – عبور کردن» چين خوردگی موجی شکل را در تصوير اصطکاک ايجاد می کند.

الف) اندازه گيري الاستيسيته

AFM        مي تواند نرمي يک نمونه را با فشار دادن پايه بر هر نقطه نمونه در هنگام تصويربرداري اندازه گيري کند. اسکنر با تغيير نوسان (معمولاً از 1 تا nm 10) بوسيله يک مقدار از پيش تعيين شده نمونه را بالا مي برد يا ديرک را پايين مي آورد. ميزان انحراف ديرک بستگي به نرمي نمونه دارد، نمونه سخت تر باعث انحراف بيشتر ديرک مي شود. شکل5-1 عکسي از یک پروتئين بنام BSA[7] را روي سيليکون نشان مي دهد. به جرأت مي توان گفت که هر کدام از برآمدگي ها که در تصوير توپوگرافي ظاهر شده، مربوط به يک ملکول BSA است. تصوير الاستيسيته نشان مي دهد که هر برآمدگي نسبت به زیر لایه سيليکون نرم تر است و همان چيزي است که از ملکولهاي پروتئين انتظار مي رود.

ممكن است نيروي بين تيرك AFM و سطح نمونه خيلي بزرگتر از مقدار نيرويي باشد كه بين دو اتم ارائه شده است. اين امر بدين علت است كه اندازة تيرك AFM خيلي بزرگتر از اندازة يك اتم است. قطر اين تيرك بطور معمول حدود 20 نانومتر است و لذا محدودة نيروهاي اندازه‌گيري‌شده در عمل, خيلي وسيعتر از مدلهاي ترموديناميكي است.

3-1 حالت های مختلف کارکرد AFM    

      برحسب ناحیه عملکرد سوزن،حالت های  AFMبه سه دسته کلی تماسی[8]  کمتر از 5 آنگستروم، شبه تماسی[9]  بین 4 تا 30 آنگستروم و غیر تماسی[10]  بین 30 تا 150 آنگستروم تقسیم می شوند.

 حالت های تماسی و شبه تماسی هر کدام بر حسب ارتعاش یا عدم ارتعاش تیرک به دو دسته   ACو DCطبقه بندی می شوند. در ناحیه غیر تماسی به دلیل ناچیز بودن سیگنال نیرو فقط ازحالت  ACاستفاده می شود. لازم به ذکر است که برای تنظیم بهینه پارامترهای AFM در هرحالت، ابتدا نمودار نیرو بر حسب فاصله رسم و مطالعه می شود و با توجه به این نمودار پارامترها ( از جمله جنس تیپ ، مد ، ولتاژ بایاس و…) انتخاب می گردند. البته بسیاری از دستگاههای AFM بطور خودکار این پارامترها را تعیین می کنند، در ادامه هرکدام از این دسته ها را بررسی می کنیم.

1-3-1     حالت های تماسی

      مطابق تعریف به ناحیه ای “ناحیه تماس”می گویند که نیروی بین سوزن و سطح دافعه باشد. در مقایسه با حالت های دیگر نیروی وارد شده به سطح درحالت تماسی بزگتر است. از طرفی به دلیل تماس پیوسته سوزن با سطح حین فرآیند روبش نیروهای اصطکاک قابل توجهی به سوزن و سطح وارد می شود که موجب آسیب دیدگی سطوح حساس و سوزن می گردد.

 بر این اساس مطالعه سطوح حساس و نرم با مدهای تماسی قدرت تفکیک را کاهش می دهد و باعث بروز خطای سیستماتیکی در نتایج می شود. در عین حال بیشترین قدرت تفکیک و دقت اندازه گیری با  AFMمربوط به بررسی سطوح سخت با سوزنهای نازک بسیار تیز و سخت در حالت تماسی می باشد.در AFMهاي تماسي، نوك تيرك با سطح نمونه تماس پيدا مي‌كند. نيروي بكاررفته براي اين كار را مي‌توان از منحني نيرو-فاصله بدست آورد. در AFM  تماسي از يك تیرک بسيار ظريف استفاده مي‌شود ( ثابت‌فنر اين حامل بطور معمول بين 1-01/0 نيوتن بر متر است). اين تیرک به حدي ظريف است كه نيروي بوجودآمده بين آن و سطح نمونه، موجب انحراف آن مي‌گردد، چراكه گراديان نيروي بين تيرك و سطح نمونه (حدود 15 نيوتن بر متر) خيلي بيشتر از ثابت‌فنر حامل (حدود 1/0 نيوتن بر متر) است. با اندازه‌گيري ميزان انحراف حامل و با داشتن ثابت‌فنر مي‌توان مقدار نيروي وارده بر آن را محاسبه كرد، و از آنجا (با توجه به ارتباط نيرو و فاصلة بين دو جسم) به تصوير حاصل از AFM رسيد. از آنجا كه تيرك AFM بطور مكانيكي با سطح نمونه تماس پيدا مي‌كند، بسياري از خواص سطحي چون توزيع نيروي اصطكاك و خواص مكانيكي را مي‌توان از تصاوير توپوگرافي حاصل از AFM، مورد ارزيابي قرار داد. همچنين با كنترل نيروي AFM تماسي، نانوليتوگرافي بر روي برخي مواد عملي خواهد بود.

الف) باز خورد[11] نيرو در AFM

      حضور حلقه بازخورد يکي از ظريفترين تفاوتهای بين AFM و دستگاههاي اندازه گيری سوزنی قديمی تر است. AFM  نه تنها نيروي وارد بر نمونه را اندازه مي گيرد، بلکه آنرا تنظيم مي کند. بنابراين مي توان با صرف نيروهای بسيار کم تصاوير را به دست آورد. حلقه بازخورد شامل يک اسکنر لوله اي است که ارتفاع کامل نمونه را کنترل مي کند و يک ديرک و پايه نوری که ارتفاع موضعي نمونه را اندازه مي گيرند. حلقه بازخورد با تنظيم ولتاژ به کار گرفته شده در اسکنر تلاش مي کند انحراف ديرک را ثابت نگه دارد. حلقه بازخورد با فرکانس kHz 10 به يک دقيقه زمان براي تصوير برداری نياز دارد. يک نکته جالب توجه اين است که حلقه بازخورد مي تواند انحراف ديرک را سريعتر اصلاح کند، به اين ترتيب AFM سريعتر مي تواند تصوير برداري کند. بنابراين يک حلقه بازخورد که درست بنا شده باشد، براي عملکرد ميکروسکوپ ضروري است.

ب) حالت نیرو ثابت

      در این حالت حین فرآیند روبش نیروی سوزن به سطح (فاصله سوزن از سطح)  توسط مدار فیدبک ثابت نگه داشته می شود در نتیجه حین فرآیند روبش، مسیر طی شده توسط پیزو الکتریک با مسیر سوزن و با توپوگرافی سطح یکسان می باشد و نمودار سطح با دقت بسیار بالایی تعیین می شود. در واقع در هر گام روبش، آنقدر مدار کنترلی فیدبک به سرامیک پیزو الکتریک فرمان تغییر ارتفاع می دهد تا فاصله سوزن از سطح مورد نظر ثابت قرار گیرد. یکی از مسایل نا مطلوب این روش مدت زمان زیاد روبش کامل سطح است چرا که در هر گام روبش مدار فیدبک چندین بار به پیزو فرمان تغییر ارتفاع می دهد تا اینکه فاصله سوزن از سطح به بازه مورد نظر برسد. از طرفی هر چه تفکیک پذیری عرضی بیشتری لازم باشد گامهای روبش کوچکتری مورد نیاز است و به تناسب سرعت روبش کمتر می شود. بر این اساس طراحی بهینه مدار فیدبک اهمیت پیدا می کند. برای رسیدن به سرعتهای مطلوب مدار فیدبک باید فرکانس تکرار حدود  kHz10 داشته باشد. از مهمترین مزیت های این روش یکی دقت بسیار بالای توپوگرافی سطوح سخت است. دیگر اینکه ،حین روبش سطح علاوه بر مشخص شدن توپوگرافی هندسی، کمیات دیگری از سطح مانند اصطکاک، توزیع مقاومت الکتریکی و … بطور همزمان تعیین میگردد.

      یکی از محدودیتهای این روش در تعیین مشخصات سطوح نرم است چرا که توپوگرافی حین روبش توسط سوزن ، بدلیل لزوم تماس آن با سطح، تغییر می کند و در نتیجه دقت و تفکیک پذیری اندازه گیری کاهش پیدا می کند.

ب) حالت ارتفاع ثابت

      در این حالت ارتفاع پیزو الکتریک حین فرآیند روبش تغییر نمی کند و حرکت آن در یک سطح  افقی صورت می گیرد. در نتیجه بسته به فاصله پیزو از سطح نمونه مورد بررسی،  نیرویی به سوزن وارد می شود. با ثبت انحرافات لرزانک حین فرآیند اندازه گیری نمودار نیرو وارد بر سوزن حین فرآیند روبش مشخص می شود و با توجه به تابعیت نیروی وارد بر سوزن از فاصله آن سطح، اختلاف ارتفاع نقاط مختلف سطح از ارتفاع پیزو معلوم می شود، که همان توپوگرافی سطح می باشد .سرعت روبش سطحی در این روش بسیار زیاد است چرا که فرآیند کنترل ارتفاع وجود ندارد، تا سیکل مدار بازخورد سرعت روبش را  کمتر کند. تنها عامل تعیین کننده سرعت روبش، سرعت عکس العمل لرزانک در تغییر جهتگیری است که در مقایسه با مدار بازخورد  بسیار سریعتر است. محدودیت جدی این روش، بررسی سطوح نسبتاً هموار می باشد و از طرفی بدلیل عدم کنترل ارتفاع ممکن است سوزن در نقاطی به سطح فشار وارد کند که سطح نمونه های نرم در این حالت تغییر می کند که منجر به کاهش قدرت تفکیک نتایج می شود.

2-3-1    حالت غیر تماسی


[1] AFM

[2] SFM

[3] Benning

[4] Gerber

[5] Cantilever

[6] tip

[7] Bovin serum albumin

[8] Contanct

[9] Semicontact

[10] Noncontact

[11] Feedback

 

110,000 ریال – خرید

تمام مقالات و پایان نامه و پروژه ها به صورت فایل دنلودی می باشند و شما به محض پرداخت آنلاین مبلغ همان لحظه قادر به دریافت فایل خواهید بود. این عملیات کاملاً خودکار بوده و توسط سیستم انجام می پذیرد.

 جهت پرداخت مبلغ شما به درگاه پرداخت یکی از بانک ها منتقل خواهید شد، برای پرداخت آنلاین از درگاه بانک این بانک ها، حتماً نیاز نیست که شما شماره کارت همان بانک را داشته باشید و بلکه شما میتوانید از طریق همه کارت های عضو شبکه بانکی، مبلغ  را پرداخت نمایید. 


مطالب پیشنهادی:
  • پایان نامه میکروسکوپ اتمی
  • برچسب ها : , , , , , , , , , ,
    برای ثبت نظر خود کلیک کنید ...

    براي قرار دادن بنر خود در اين مکان کليک کنيد
    به راهنمایی نیاز دارید؟ کلیک کنید
    

    جستجو پیشرفته مقالات و پروژه

    سبد خرید

    • سبد خریدتان خالی است.

    دسته ها

    آخرین بروز رسانی