بررسی سینتیک رشد لایه نازک کربن آمورف انباشت شده به روش کندوپاش پرتو یونی با استفاده از مدل آورامی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، پژوهشکده کاربرد پرتوها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، پژوهشکده کاربرد پرتوها، تهران، ایران

2 استاد، پژوهشکده فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، تهران، ایران

3 استادیار، پژوهشکده مواد پیشرفته و انرژیهای نو، سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران

4 دانشیار، پژوهشکده مواد پیشرفته و انرژی های نو، سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران

5 کارشناس، پژوهشکده فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، تهران، ایران

amnc.2021.9.36.5

چکیده

سینتیک رشد لایه نازک کربن آمورف طی فرآیند انباشت در رابطه با مورفولوژی سطح و تحولات ساختاری لایه‏ها بررسی شد. لایه نازک کربن آمورف با استفاده از روش کندوپاش پرتو یونی بر سطح شیشه انباشت شد. بر اساس مدل آورامی، رشد لایه نازک کربن آمورف در ضخامتهای بالاتر از nm 56 ( بعد از s 900 انباشت ) به صورت 2 بعدی انجام می شود و معادله پیشنهادی جهت بررسی فرآیند رشد در تحقیق حاضر به صورت V=1-exp⁡(-2×〖10〗^(-7) t^2 ) می‏باشد. تغییرات نرخ ضخامت مانند مدل پیشنهادی آورامی از یک نمودار S شکل در بازه زمانی s300 تا s 4500 تبعیت می‏کند. به این صورت که سرعت افزایش ضخامت در مراحل اولیه و انتهای فرآیند لایه نشانی کم است، در حالی که در میانه مسیر زیاد می‏باشد. بررسی مورفولوژی سطح لایه‏ها نشاندهنده ارتباط زبری سطح با تحولات ساختاری لایه ها تحت تاثیر افزایش ضخامت می باشد. بر اساس نتایج طیف رامان، حداکثر جابجایی مکان پیک G در نمونه انباشت شده با ضخامت nm 360 همراه با کاهش نرخ رشد لایه ایجاد می شود. نسبت ID/IG، اندازه خوشه های گرافیتی با پیوند sp2 (La) و زبری لایه مذکور به ترتیب برابر با 2/1 و nm 48/1 و nm 80/4±39/20 می‏باشد.

کلیدواژه‌ها


 [1] S. Logothetidis, P. Patsalas, M. Gioti, A. Galdikas,
L. Pranevicius, “Growth kinetics of sputtered amorphous carbon thin films: composition studies and
phenomenological model”, Thin Solid Films, Vol.
376, pp. 56-66, 2000.
[2] F. Bi, K. Hou, P. Yi, L. Peng, X. Lai, “Mechanisms
of growth, properties and degradation of amorphous
carbon films by closed field unbalanced magnetron
sputtering on stainless steel bipolar plates for PEMFCs”, Applied Surface Science Vol. 422, pp. 921-931,
2017.
[3] E. Pang, N. Vo, T. Philippe, P. Voorhees, “Modeling interface-controlled phase transformation kinetics
in thin films”, Journal of Applied Physics, Vol. 117,
pp. 175304, 2015.
[4] C. Casiraghi, A. Ferrari, J. Robertson, “The
smoothness of tetrahedral amorphous carbon”, Diamond and related materials, Vol. 14, pp. 913-920,
2005.
[5] M.A. Caro, V.L. Deringer, J. Koskinen, T. Laurila,
G. Csányi, “Growth Mechanism and Origin of High
sp3 Content in Tetrahedral Amorphous Carbon”,
Physical review letters, Vol. 120, pp. 166101, 2018.
[6] M. Avrami, “Kinetics of phase change. II transformation‐time relations for random distribution of
nuclei”, The Journal of chemical physics, Vol. 8, pp.
212-224, 1940.
[7] M. Avrami, “Kinetics of phase change. I General theory”, The Journal of chemical physics, Vol. 7,
pp.1103-1112, 1939.
[8] M. Kuśnierz, J. Łomotowski, “Using Avrami
equation in the studies on changes in granulometric
composition of algal suspension”, Hydrobiologia,
Vol. 758, pp. 243-255, 2015.
[9] M. Fanfoni, L. Persichetti, M. Tomellini, “Order
and randomness in Kolmogorov–Johnson–Mehl–
Avrami-type phase transitions”, Journal of Physics:
Condensed Matter, Vol. 24, 355002, 2012.
[10] A. Faleiros, T. Rabelo, G. Thim, M. Oliveira,
“Kinetics of phase change”, Materials Research, Vol.
3, pp. 51-60, 2000.
[11] M. Weinberg, R. Kapral, “Phase transformation
kinetics in finite inhomogeneously nucleated systems”, The Journal of chemical physics, Vol. 91, pp.
7146-7152, 1989.
[12] L. Levine, K.L. Narayan, K. Kelton, “Finite
size corrections for the Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov equation”, Journal of materials research,
Vol. 12 . pp. 124-132, 1997.
[13] L. Constant, F. Le Normand, “HF CVD diamond
nucleation and growth on polycrystalline copper: A
kinetic study”, Thin Solid Films, Vol. 516, pp. 691-
695, 2008.
[14] W.R. Lambrecht, C.H. Lee, B. Segall, J.C. Angus, Z. Li, M. Sunkara, “Diamond nucleation by
hydrogenation of the edges of graphitic precursors”,
Nature, Vol. 364, pp. 607-610, 1993.
[15] M. Tomellini, R. Polini, V. Sessa, “A model kinetics for nucleation at a solid surface with application to diamond deposition from the gas phase”, Journal of applied physics, Vol. 70, pp. 7573-7578, 1991.
[16] H. Dai, X. Cheng, C. Wang, Y. Xue, Z. Chen,
“Structural, optical and electrical properties of amorphous carbon films deposited by pulsed unbalanced
magnetron sputtering”, Optik, Vol. 126, pp. 861-864,
2015.
[17] S. Logothetidis, “Surface and interface properties of amorphous carbon layers on rigid and flexible
substrates”, Thin Solid Films, Vol. 482, pp. 9-18,
2005.
[18] J.-K. Shin, C.S. Lee, K.-R. Lee, K.Y. Eun, “Effect of residual stress on the Raman-spectrum analysis of tetrahedral amorphous carbon films”, Applied
Physics Letters, Vol. 78, pp. 631-633, 2001.
[19] P.C. Kelires, “Intrinsic stress and stiffness variations in amorphous carbon”, Diamond and Related
Materials, Vol. 10, pp. 139-144, 2001.
[20] D. McKenzie, D. Muller, B. Pailthorpe, “Compressive-stress-induced formation of thin-film tetrahedral amorphous carbon”, Physical review letters,
Vol. 67, pp. 773, 1991.
[21] J. Robertson, “Deposition mechanisms for promoting sp3 bonding in diamond-like carbon”, Diamond and related materials, Vol. 2, pp. 984-989, 1993.
[22] J.W. Christian, C. JW, The theory of transformations in metals and alloys. I. Equilibrium and general
kinetic theory, 1975.
[23] M. Yari, 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.
[24] L. Eckertova, Physics of Thin Films, chapter 1,
Plenum Press, 1990.
[25] M. Zhong, C. Zhang, J. Luo, “Effect of substrate
morphology on the roughness evolution of ultra thin
DLC films”, Applied Surface Science, Vol. 254, pp.
6742-6748, 2008.
[26] L. Bai, G. Zhang, Z. Wu, J. Wang, P. Yan, “Effect
of different ion beam energy on properties of amorphous carbon film fabricated by ion beam sputtering
deposition (IBSD)”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions
with Materials and Atoms, Vol. 269, pp. 1871-1877,
2011.
[27] M. Salvadori, D. Martins, M. Cattani, “DLC
coating roughness as a function of film thickness”,
Surface and Coatings Technology, Vol. 200, pp. 5119-
5122, 2006.
[28] Q. Jun, L. Jianbin, W. Shizhu, W. Jing, L. Wenzhi, “Mechanical and tribological properties of nonhydrogenated DLC films synthesized by IBAD”, Surface and Coatings Technology, Vol. 128, pp. 324-328,
2000.
[29] 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.