لایه‌های نازک خواص بسیار جالبی دارند که متفاوت از خواص توده‌ای مواد تشکیل‌دهنده آن‌هاست. در این مبحث به بررسی رفتار لایه‌های نازک از دیدگاه خواص مختلف آنها پرداخته شده است که این خواص شامل خواص الکتریکی، خواص مغناطیسی، خواص نوری، خواص مکانیکی، خواص شیمیایی و خواص حرارتی لایه‌های نازک است.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- خواص لایه نازک
1-1- خواص مکانیکی
2-1- خواص الکتریکی
3-1- خواص مغناطیسی
4-1- خواص نوری
5-1- خواص شیمیایی
6-1- خواص حرارتی
بحث و نتیجه‌گیری
1- خواص لایه نازک
خواص لایه‌های نازک نظیر خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی و … به پارامترهای زیادی وابسته است که این پارامترها مربوط به روش تولید و کیفیت و نوع ماده زیرلایه خواهند بود. در مورد روش‌های لایه‌نشانی از پارامترهای مربوط به روش تولید می‌توان به میزان خلأ، جریان گاز عبوری حین فرایند رشد لایه، سرعت لایه‌نشانی و خلوص مواد پوشش اشاره کرد [1]. در این مقاله در مورد خواص برجسته لایه‌های نازک بحث خواهد شد.
1-1- خواص مکانیکی
یکی از خواص مهم لایه‌های نازک خواص مکانیکی است. روش‌های مختلف تولید و ساخت لایه‌های نازک، باعث ایجاد عیوب از جمله نابجایی‌ها در لایه‌ها می‌شود و چون در لایه‌های نازک این عیوب قابلیت حرکت ندارند در جای خود قفل می‌شوند. غلظت بالای نابجایی‌ها و عدم تحرک آنها در لایه نازک سبب افزایش خواص مکانیکی نظیر سختی و مقاومت به سایش آنها می‌شود که قابل مقایسه با بالک ماده نیست. از طرفی، افزایش شدید غلظت نابجایی‌ها موجب ایجاد تنش در ساختار لایه نازک می‌شود و از آنجا که معمولاً بیشتر روش‌های لایه‌نشانی در دمای بالاتر از دمای محیط استفاده می‌شوند (نظیر روش‌های PVD و CVD)، مقداری تنش حرارتی نیز در لایه نازک ایجاد می‌شود که مقدار آن تابع اختلاف دمای لایه‌نشانی و دمای کاربردی لایه نازک است [2-6].
رفتار مکانیکی لایه‌های نازک مانند استحکام و چسبندگی آنها سهم بسزایی در کارایی لایه‌های نازک دارد. عوامل مؤثر بر خواص مکانیکی شامل اندازه و شکل دانه‌های تشکیل شده درون لایه‌ها؛ حضور تهی جاها، نابجایی‌ها، خلل و فرج؛ و … هستند. تنش در لایه‌های نازک به دو نوع تنش‌های گرمایی و تنش‌های ذاتی تقسیم می‌شود. تنش نوع اول، به این دلیل ایجاد می‌شود که اکثر فرایندهای لایه‌نشانی در دمای بالا انجام می‌شود و چون مواد مختلف، ضرایب انبساط گرمایی متفاوتی دارند، در هنگام لایه‌نشانی بین لایه و زیرلایه این تنش ایجاد می‌شود. دومین نوع تنش که به تنش ذاتی یا داخلی معروف است، به عواملی چون فرایندهای رشد غیر تعادلی بستگی دارد و موجب تشکیل ساختارهای غیرتعادلی می‌شود. از دیگر خواص مکانیکی لایه‌های نازک، استقامت کششی لایه‌های نازک است. تنش کششی لازم برای اینکه لایه‌ای ترک بردارد کمیت مهمی است که هر چه میزان آن بزرگ‌تر باشد، لایه سخت‌تر کشیده می‌شود. به طور کلی استقامت کششی لایه، تابع ضخامت لایه است. همچنین تشکیل لایه اکسیدی بر روی لایه می‌تواند باعث افزایش استقامت کششی لایه شود [7].
2-1- خواص الکتریکی
بررسی خواص الکتریکی مواد عمدتاً براساس نظریه نواری صورت می‌گیرد که در آن ترازهای انرژی الکترونی و چگالی حالت‌ها، فلز یا نیمه‌رسانا یا عایق بودن ماده را تعیین می‌کنند. این ترازهای انرژی در توده مواد و در سطح مربوط به لایه‌های نازک با یکدیگر متفاوتند. به این ترتیب که برخی ترازهای انرژی ممنوعه در حالت توده مواد تبدیل به ترازهای گسسته مجاز می‌شوند. همچنین در فصل مشترکی که دو سطح با یکدیگر برهم‌کنش دارند، ترازهای انرژی یکدیگر را تحت تأثیر قرار می‌دهند. کاربرد این مباحث در اتصالات بین قسمت‌های مختلف مدارهای مجتمع، وسایل میکروالکترونیک، الکترونیک و … با استفاده از لایه‌های نازک است [7].
در مواد رسانا صرف‌نظر از اینکه یک ماده بالک یا لایه نازک باشد، تعدادی حامل بار الکتریکی (n) با بار (q) داریم که با سرعت مشخص (V) در میدان الکتریکی (e) حرکت می‌کند که سبب عبور جریان با چگالی (j) در ماده می‌شود.
j = nqV
در حالی که µ موبیلیته الکترون‌هاست؛
V =µe
j = σe
بنابراین رسانایی مواد (σ) برابر می‌شود با:
σ = nqµ
در مورد لایه نازک علاوه بر اینکه تعداد حامل‌های بار کاهش می‌یابد، به علت کاهش ضخامت لایه، حرکت الکترون‌ها نیز محدود می‌شود. به همین علت الکترون‌ها با اندک انحراف از مسیر حرکتشان (Surface Scattering)، باعث کاهش رسانایی می‌شوند. فاصله یک انحراف از مسیر حرکت تا انحراف دیگر را طول پویش آزاد میانگین (Mean Free Path) می‌نامند که رسانایی ماده تابع این پارامتر است. ضخامت لایه نازک می‌تواند کمتر از طول پویش آزاد آن شود، در این حالت، الکترون‌ها دائماً با دیواره لایه نازک برخورد می‌کنند و رسانایی ماده بسیار کاهش می‌یابد و این به معنی افزایش شدید مقاومت الکتریکی لایه نازک خواهد بود. در لایه‌های نازک فلزی، مقاومت الکتریکی بیشتر از بالک ماده است که این میزان با افزایش ضخامت لایه نازک، کاهش پیدا می‌کند.
در ساخت لایه‌های نازک، سه نوع مورفولوژی می‌تواند ایجاد شود:
1. لایه، ساختار کاملاً منسجم داشته باشد.
2. لایه دارای تخلخل باشد.
3. لایه به صورت ذرات جدا از هم تشکیل شود.
خواص الکتریکی لایه‌های نازک شدیداً به مورفولوژی آن بستگی دارد. در این میان، بهترین رسانایی مربوط به لایه‌های نازک منسجم و کمترین میزان رسانایی در لایه‌های با ذرات جدا از هم است. در لایه‌های فلزی منسجم نیز، رسانایی بسیار بیشتر از لایه‌های فلزی غیرمنسجم است. اما برخلاف لایه‌های فلزی منسجم، با افزایش دما رسانایی لایه‌های فلزی غیرمنسجم افزایش می‌یابد.
رسانایی لایه نازک منسجم (σ) از رابطه زیر به دست می‌آید:
σ =ne2l/mV
که l طول پویش آزاد الکترون، n تعداد حامل‌های بار، e بار الکترون، m جرم الکترون و V سرعت میانگین الکترون‌ها در ناحیه فرمی است [2-6].
3-1- خواص مغناطیسی
اساس خاصیت مغناطیسی مواد به چرخش الکترون به دور خود یا اسپین الکترون (Spin) مربوط است. مطابق شکل 1، اگر نسبت R/r (شعاع اتم به شعاع اوربیتال تک الکترونی) به گونه‌ای باشد که میزان انرژی تبادلی (Exchange Energy) در ناحیه مثبت قرار گیرد، ماده می‌تواند خاصیت مغناطیسی از خود نشان بدهد [8].
شکل 1- نمودار تعیین فرومغناطیس و آنتی فرومغناطیسی مواد [8].
انرژی تبادلی در واقع انرژی است که موجب موازی شدن اسپین الکترون‌ها می‌شود. فلزات واسطه نظیر Fe و Co و Ni و Gd جز مواد مغناطیسی طبیعی هستند. به منطقه‌ای که در آن اسپین الکترون‌ها موازی و هم جهت است، ناحیه مغناطیسی (Magnetic Domain) گفته می‌شود. اندازه این دومین‌ها در حدود 50 میکرومتر هستند. با کاهش ضخامت لایه نازک خاصیت مغناطیسی نیز کاهش می‌یابد. زیرا در این حالت به علت افزایش تعداد الکترون‌های سطحی و آزادی بیشتر این الکترون‌ها، به سختی می‌توان همه الکترون‌ها را هم جهت و موازی کرد. کاهش بیشتر ضخامت لایه‌های نازک به کمتر از اندازه دومین مغناطیسی می‌تواند آنها را به لایه‌های پارامغناطیس تبدیل کند. اما در لایه‌های نازک، آثار پارامغناطیس و دیامغناطیس به قدری ضعیف است که به سختی آشکار می‌شود. خواص فرومغناطیس به دمای زیرلایه، آهنگ لایه‌نشانی و اجزای سازنده بستگی دارد. با استفاده از فلزات مغناطیسی (Fe و Co وNi) می‌توان لایه‌های نازک فرومغناطیس تولید کرد که کاربرد وسیعی در ابزار حافظه کامپیوتر دارند زیرا در لایه‌های نازک به علت کاهش تعداد دومین‌ها، زمان مغناطیس شدن و مغناطیس معکوس، کاهش می‌یابد. خاصیت مغناطیسی لایه‌های نازک به شدت به مورفولوژی و میکروساختار و تاحدودی به شکل هندسی لایه بستگی دارد [2-7].
4-1- خواص نوری
پدیده‌های مختلف نوری در مواد شامل بازتاب (Reflection)، جذب (Absorption)، عبور (Transmition) و تداخل (Scattering) نور هستند.
Rλ+Aλ+Tλ+Sλ = 1
به طوری که Rλ درصد بازتاب، Aλ درصد جذب، Tλ درصد عبور و Sλ درصد پراکندگی نور هستند. پارامترهای اصلی واکنش نور با لایه‌های نازک شامل ضریب شکست (n: Refraction Index) و ثابت جذب (k: Index of Absorption) است. به طور کلی هیچ ماده‌ای وجود ندارد که نور را کاملاً جذب کند یا آن را به طور کامل بازتاب کند. تمام جامدات قسمتی از نور را جذب و قسمتی از آن را بازتاب می‌کنند. چنانچه در ماده‌ای، k>>n باشد؛ یعنی در آن ماده جذب بالا اتفاق می‌افتد مانند مواد عایق و دی‌الکتریک‌ها؛ در لایه‌های نازک در محدوده نانومتری با ضخامت بالاتر از 10 نانومتر، ضریب شکست (n) لایه از ضریب شکست همان ماده در حالت بالک کوچک‌تر است و در مقابل، ضریب جذب آن (k) بالاتر از بالک ماده است. بنابراین در لایه‌های نازک جذب نور بالاتری اتفاق می‌افتد.
درجه افزایش k و کاهش n تابع پارامترهای لایه‌نشانی نظیر نحوه لایه‌نشانی، تخلخل لایه و ضخامت آن است. معمولاً برای لایه‌نشانی با اهداف نوری، از روش‌های فیزیکی استفاده می‌شود. از تغییراتی که در ثابت‌های جذب و بازتاب لایه نازک ایجاد می‌شود، می‌توان در کاربردهای وسیعی نظیر آینه‌ها و لایه‌های ضدانعکاس (Antireflection) استفاده کرد. در مباحث خواص نوری در لایه‌های نازک، بیشترین کاربرد مربوط به سیستم‌های چندلایه است که با ترکیب چند لایه با ضخامت‌ها و ضریب شکست‌های متفاوت می‌توان کاربردهای متفاوتی را ایجاد کرد [2-6].
5-1- خواص شیمیایی
در لایه‌های نازک به علت سطح تماس زیاد لایه با محیط، واکنش‌پذیری لایه نسبت به ماده بالک افزایش می‌یابد، لذا از این خاصیت لایه‌های نازک می‌توان به عنوان سنسور شناسایی مواد شیمیایی استفاده کرد.
6-1- خواص حرارتی
لایه‌های نازک از آنجا که نسبت سطح به حجم بالایی دارند، لذا تعداد اتم‌های سطحی بیشتری دارند و چون اتم‌های سطحی ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتم‌های درون شبکه دارند، به همین دلیل دمای ذوب لایه نازک کمتر از دمای ذوب همان ماده در حالت بالک ماده است [2-4].
بحث و نتیجه‌گیری
در بررسی خواص لایه‌های نازک مشخص است که خواص لایه نسبت به توده ماده رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهد. خواص الکتریکی وابسته به نوع عیوب ایجاد شده خواهد بود. در بحث خواص الکتریکی لایه‌های نازک گفته شد که رسانایی الکتریکی لایه با کاهش ضخامت آن، کاهش می‌یابد و در مقابل میزان مقاومت الکتریکی در لایه‌های نازک‌تر، مقادیر بزرگ‌تری خواهد داشت. با کاهش ضخامت لایه‌های نازک، میزان مغناطیس شدن آنها نیز کم می‌شود و در مورد خواص نوری، با کاهش ضخامت لایه، جذب نور در آن افزایش خواهد داشت. همچنین به علت افزایش میزان سطح به حجم در لایه‌های نازک، تغییر دما و واکنش شیمیایی نسبت به توده ماده با سرعت بیشتری انجام خواهد گرفت.
منابـــع و مراجــــع
۱ – K. N. Chopra & A. K. Maini, “Thin FilmTheir Applications in MilitaryCivil Sectors” Defence ResearchDevelopment Organisation, 2010.
۲ – M. Ohring, “Yhe Materials Science of thin Films”, Academic press. 1992.
۳ – K. N. Chopra & I. Kuar, ” Thin Film Device Applications “, TechnologyEngineering, 1983.
۴ – R. W. Berry, P. M. Hall & M.T. Harris “Thin film Technology”, Van Nostrand Company, 1968.
۵ – S.M. Sze “Semiconductor Devices-Physicstechnology”, John Wiley, 1985
۶ – A. Wagendristel & Y. Wang, “An Introduction of PhysicsTechnology of Thin Films”, , 1994.
