مهندسی سطح

2

  1. مقدمه ای بر مهندسی سطح

  2. مهندسی سطح پیشرفته

  3. الکترولیز پلاسما برای مهندسی سطح

1

  1.  مقدمه ای بر مهندسی سطح

  2. Plasma electrolysis for surface engineering

  3. مهندسی سطح پیشرفته

  4. الکترولیز پلاسما برای مهندسی سطح

3

  1. پوشش دهی توسط رسوب فیزیکی بخار

  2. پوشش های کامپوزیتی زمینه فلزی حاوی ذرات سرامیکی

رسوبدهی از فاز مایع

رسوب دهی فاز مایع به هر فرآیندی که طی آن مواد در حالت مایع یا محلول از طریق تراکم یا واکنش به حالت جامد تبدیل می شوند، اطلاق می گردد. از این فرآیند برای تشکیل پوشش و رسیدن به خواص مختلف رسانایی، گرمایی، نوری ، مقاومت در برابر خوردگی و همچنین خواص مکانیکی به کار می رود.

الکترو رسوب دهی

فرآیند الکترورسوب دهی(Electrodeposition) که Electroplatingنیز نامیده می شود محدود  به مواد رسانا می باشد. دو روش برای رسوبدهی وجود دارد که عبارتند از:

  1.  Electroplating
  2. Electroless Plating

در روش اول، ماده در یک محلول مایع (الکترولیت) قرار می گیرد. وقتی که اختلاف پتانسیل الکتریکی بین الکترود نمونه و الکترود شاهد (معمولاً پلاتین ) برقرار گردد، یک واکنش اکسید – احیاء اتفاق می افتد که باعث تشکیل یک لایه از ماده روی نمونه و ایجاد گاز بر روی الکترود شاهد می شود.

در روش دوم، محلول شیمیایی پیچیده ای نیاز است . در این روش رسوب همزمان روی سطحی که پتانسیل الکتروشیمیایی مناسبی با محلول دارد، تشکیل می شود. این روش از آن جهت مناسب است که نیاز به پتانسیل الکتریکی خارجی ندارد. متأسفانه در این روش کنترل ضخامت فیلم و هم شکل بودن آن مشکل است. فرآیند الکترورسوب دهی برای ساخت فیلم های فلزی نظیر مس، طلا، نیکل و… کاربرد دارد.
مایسل معکوس

اساس این روش بسیار ساده است . دو ترکیب شیمیایی برای ایجاد محصول با یکدیگر واکنش می دهند . چنانچه دو ترکیب در مقادیر زیاد با یکدیگر مخلوط شوند، ذراتی با اندازه بزرگ به وجود می آورند. برای تشکیل نانوذرات، انجام چنین واکنش هایی می بایست در ابعاد خیلی کوچکتر انجام شود. در این فرآیند از دو فاز آبی و آلی استفاده می کنند، که با یکدیگر مخلوط نمی شود ولی چنانچه با سرعت همزده شوند، قطرات یک فاز به صورت سوسپانسیون در دیگری حل می شوند. اندازه این قطرات با افزایش سورفکتانت یا شوینده تا حد خیلی زیادی ریز می شود. مولکول های سورفکتانت روی سطح یک قطره آب جمع شده و آن را پایدار می کنند . چنین قطره ای مایسل نامیده می شود. از آنجایی که قطره حاصله خیلی کوچک است به عنوان یک محیط واکنش ایده آل برای تشکیل نانوذره می باشد. مقادیر کمی از واکنش دهنده می تواند به داخل این قطره نفوذ کند و وقتی با واکنش گر دوم واکنش می دهد، ذره خیلی کوچکی حاصل می آید. در این فرآیند از دو ماده شیمیایی که یکی در فاز آلی و دیگر در فاز آبی حل می شود، استفاده می کنند. امولسیون مورد نیاز از طریق مخلوط نمودن حجم کمی از فاز آبی درحجم بالایی از فاز آلی بدست می آید.

اندازه قطرات آب وابسته به نسبت آب / سورفکتانت است. سورفکتانت بین قطره آب و فاز آلی قرار می گیرد. فرایند بدین صورت است که ماده شیمیایی که در آب حل می شود به محلول اضافه شده و همزده می شود، از آنجائیکه این ترکیب در فاز آلی حل نمی شود، به صورت یکنواخت در فاز آب حل می گردد. سپس ترکیب شیمیایی دوم که در فاز آلی حل می شود به محلول اضافه می گردد. مقادیر خیلی کمی از آن وارد فاز آبی شده و با ترکیب قابل حل در آب واکنش می دهد و ذرات کوچک را حاصل می آورد.

فرایند مایسل معکوس برای تهیه نانوساختارهایی نظیرBaTiO3, ZrO2,CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe TiO2 استفاده می شود. نانوذراتی که از روش واکنش های رسوبی بدست می آیند از این روش نیز حاصل می شوند.

پلیمریزاسیون میکروامولسیونی

میکروامولسیونها فازهای متعادلی شامل مایعات غیر قابل استخراج نظیر روغن و آب می باشند که به وسیله لایه های نازک حاصل از سور فکتانت پایدار می شوند . ساختار میکروامولسیون ها به عنوان میکروراکتورهای پلیمریزاسیون عمل می کنند. با انجام پلیمریزاسیون مونومرها نانوذراتی در حدود ۱۰ نانومتر بدست می آیند . در این فرایند پلیمریزاسیون سریع بوده و پلیمرهای مونودیسپرس با وزن مولکولی بالا حاصل می شوند . تئوری فرآیند با استفاده از روش آنالیزیSANS مورد بررسی قرار می گیرد.

سل ژل

فرآیندهای سل ژل اولین بار در اواخر قرن نوزدهم کشف شد و از اوایل دهه ۴۰ به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفتند. پس از آن برای ساخت ژل ها در دماهای پایین و تبدیل آنها به شیشه فرآیندهایی توسعه یافتند. فرآیندهای سل ژل روالی همه کاره برای ساخت مواد سرامیکی و شیشه ای از محلول ها یا کلوئیدها ( که مثل سوسپانسیون ها، ذرات در مایع نامحلول اند، اما ته نشین هم نمی شوند) می باشد . به طور کلی فرآیند سل ژل عبارتست از انتقال سیستمی از یک فاز “سل” مایع به یک فاز “ژل” جامد. با کمک فرآیند سل ژل می توان مواد سرامیکی یا شیشه ای را در گستره ای از اشکال ساخت : پودرهای فوق ریز یا کروی، روکش های فیلم نازک، الیاف سرامیکی، غشاهای معدنی میکروحفره ای، سرامیک ها و شیشه های یکپارچه ، و مواد آئروژل به شدت متخلخل.

مواد آغازین برای تهیه سل معمولاً نمک های فلزات معدنی یا ترکیبات آلی فلزی مثل آلکوکسیدهای فلزی می باشند. در یک فرآیند سل ژل نوعی، ماده پیش ساز در معرض یک سری از واکنش های هیدرولیز و پلیمریزاسیون قرار می گیرد تا یک سوسپانسیون کلوییدی یا سل را تشکیل دهد . فرآوری بیشتر سل امکان ساخت اشکال مختلفی از مواد سرامیکی را فراهم می کند. فیلم های نازک را می توان با انجام روکش دهی چرخشی یا روکش دهی غوطه وری روی یک زیرلایه تولید کرد . هنگامی که سل در یک قالب ریخته شود، ژلی مرطوب شکل می گیرد. با خشک کردن و فرآورش حرارتی، این ژل به ذرات شیشه ای یا سرامیکی متراکم تبدیل می شود

 اگر در شرایط فوق بحرانی مایع موجود در یک ژل مرطوب خارج شود، ماده ای به سرعت متخلخل و با دانسیته فوق العاده اندک موسوم به آئروژل بدست می آید. با تنظیم کردن ویسکوزیته سل در یک دامنه مطلوب می توان از سل الیافی سرامیکی بدست آورد . پودرهای سرامیکی فوق ریز و یکنواخت را نیز می توان با رسوب دهی، پیرولیز پاششی یا روش های امولسیونی تولید کرد.

فرآوری نانوذرات به صورت سل ژل قابلیت ایجاد قطعات ارزان قیمت را دارا می باشد . نوعاً مخلوطی از ذرات سیلیکای نانومتری و افزودنی ها در قالب جای داده می شود. سپس لازم است ژل مرطوب با کنترل دقیقی – برای پرهیز از ترک برداشتن – خشک شود . پس از آن می توان ماده حاصل را تحت فرآوری بیشتر به شیشه ای شفاف تبدیل کرد.

با استفاده از نانوذرات حاصل از مواد مبتنی بر نمک و سرامیک هایی همچون Al2O3 و Ni-YLaO3 تعدادی زیرلایه کاتالیستی ساخته شده اند.

از فرآیندهای سل ژل می توان برای کنترل دقیق آغشته سازی نانوذرات تیتانیوم یا ژرمانیوم در فیلم های سل ژل دی اکسید سیلیکون استفاده کرد، تا بتوان ضریب شکست ماده حاصل را به کنترل درآورد . الیاف را نیز می توان از محلول های مواد پیش ساز بیرون کشید یا ریسید یا آنها را با فیلم های نازک روک شدهی کرد.

پایین به بالا

در روشهای پایین به بالا محصولی از مواد ساده تر به وجود می آید، مانند ساخت یک موتور از قطعات آن. در حقیقت کاری که در اینجا انجام می شود، کنار هم قرار دادن اتم ها و مولکول ها (که ابعاد کوچکتر از مقیاس نانو دارند ) برای ساخت یک محصول نانومتری است . تصور کنید که قادریم اتم ها و مولکول ها را به طور واقعی ببینیم و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهیم تا شکل مورد نظر حاصل شود . معمولاً روش های پایین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاماً این مسأله صادق نیست. مثلاً ممکن است جزئی از یک سیستم خودآرا برای فرآیند خودآرایی به کمک یک “هم جزء” نیاز داشته باشد که در محصول نهایی وجود نداشته و لذا از سیستم حذف می شود.

رسوب دهی فاز گاز

رسوب دهی فاز گاز به فرآیندی اطلاق می گردد که طی آن مواد در حالت بخار از طریق تراکم و واکنش شیمیایی به حالت جامد بر می گردند. این فرآیند برای پوشش دهی قطعات مختلف و رسیدن به خواص نوری، الکتریکی ، گرمایی، مکانیکی و مقاومت خوردگی ماده به کار می رود. این روش همچنین برای تشکیل فیلم ها و الیافی که برای فیلتر کردن مواد کامپوزیت مصرف می شوند، کاربرد دارد . فرآیندهای رسوب دهی گازی به طور معمول در محفظه ی خلاء به دست می آید. رسوب دهی شیمیایی و فیزیکی بخار از مهم ترین روش های رسوب دهی فاز گاز هستند.

 رسوب دهی شیمیایی بخار(CVD)

رسوب دهی شیمیایی بخار یک فرآیند شیمیایی است که برای رسوب فیلم های نازک از مواد گوناگون مورد استفاده قرار می گیرد. در یک فرآیندCVDیک لایه از ماده در معرض یک یا چند ماده تبخیر شده قرار می گیرد، و طی آن مواد اولیه با لایه ی مذکور واکنش داده (و/یا) تجزیه شده، محصول رسوبی مورد نظر را به وجود می آورند . البته محصولات جانبی نیز به وجود می آیند که به وسیله گاز خارج می شوند.

رسوب دهی شیمیایی بخار به طور وسیع درتولید نیمه هادی ها ( به عنوان یک بخش از فرآیند تولید نانوساختارهای نیمه هادی) و برای رسوب فیلم های گوناگون نظیر سیلیکون های پلی کریستال ، آمورف، اپی تکسیال، سیلیکون ، ژرمانیوم، تنگستن، سیلیکون نیترید، سیلیکون اکسی نیترید و تیتانیم نیترید استفاده می شود . فرآیندCVDبرای تولید الماس سنتزی نیزکاربرد دارد.

 رسوب دهی شیمیایی در فشار اتمسفری(APCVD)

APCVDیک روش رسوبی است که در آن واکنش در فشار اتمسفری انجام می شود. فشار اتمسفری  باعث می گردد سرعت رسوب فیلم افزایش یابد و به حدود ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر بر دقیقه می رسد . در این فرایند، بدلیل تراکم سریع مولکول های گازی، هسته زایی هموژن صورت می گیرد و فیلم های تهیه شده از این روش اثرپذیری کمی از خود نشان می دهند. همچنین بدلیل داشتن تغییرات قابل اغماض محصول، این روش کاربرد زیادی در صنعت دارد.

 رسوب دهی شیمیایی بخار لایه اتمی(ALCVD)

در فرآیند رسوب دهی شیمیایی بخار لایه اتمی، دو ماده اولیه به عنوان مثال (آب و(۳Al(CH۳))به طور متناوب داخل محفظه واکنش وارد می شوند. یکی از این مواد در غیاب ماده دوم روی سطح یک ویفر جذب شده، و دچار تغییر شیمیایی نمی شود . جذب این ماده تا اشباع شدن سطح ادامه می یابد. سپس ماده ی دوم به محیط اضافه شده و واکنش انجام می پذیرد . ضخامت فیلم با مقدار ماده ورودی به محفظه واکنش کنترل می گردد. در این روش امکان کنترل دقیق ضخامت فیلم و یک شکل بودن آنها وجود دارد.

 رسوب دهی شیمیایی بخار در فشار پایین(LPCVD)

این فرآیند در فشار پایین تر از فشار اتمسفری انجام می شود. در فشارهای پایین ، واکنش های فاز گازی ناخواسته کاهش یافته، باعث بهبود یکنواختی فیلم روی ویفر می گردد. روش دیگری که در خلاء انجام شده و کاربرد محدودتری دارد، رسوب دهی شیمیایی بخار با خلاء خیلی بالا(UHVCVD)است.

پاسخ دهید