ا و دره هاي موجود در اين قسمت نمونه، زاويه و سطح قسمت انتخاب شده نمونه را بدست آوريم.

3-1-2 پارامتر هاي اپتيکي در ميکروسکوپ هم کانوني

اين بخش درباره ثابت هاي الکتريکي لايه هاي نيمه هادي و روابط بين مشخصه هاي مختلف اپتيکي بحث مي کند و همچنين درباره برخي تکنيک هاي اندازه گيري مشخصه هاي اپتيکي در لايه هاي پلي بلورين و آمورف توضيحاتي مي دهد و در نهايت ارتباط بين ثابت هاي اپتيکي نيمه هادي هاي پرکاربرد توضيح داده خواهد شد. ضريب شکست مختلط n_c، به صورت زير تعريف مي شود:
(3-15) n_C=n-ik
و به سرعت انتشار نور در مواد (V) از طريق رابطه زير مرتبط است :
(3-16) V = c/n_c
که در آن c سرعت نور در خلاء، n ضريب شکست حقيقي و k ضريب ميرايي مي باشد.
شدت يک موج نور در يک محيط جاذب (I) طبق رابطه زير بيان مي شود:
(3-17) ) I = I ? exp(-?x
که در آن ? ضريب جذب و x فاصله نمونه از سطح تابندگي مي باشد. ? با استفاده از رابطه ميدان الکتريکي که در زير آورده مي شود با K ارتباط پيدا مي کند :
(3-18) E = E ? exp[i(wt-2nN/? x+?)]
?=4?k/?
که ? طول موج نور در خلاء مي باشد.
ثابت دي الکتريک را مي توان با دو روش معرفي کرد. يک روش آن است که ثابت دي الکتريک ? حقيقي باشد و هر کاهشي را با رسانايي ? توصيف کنيم، که روشي است که وابسته به فرکانس است و معمولاً همانند رسانندگي dc نيست. بنابراين :
(3-19) n^2-k^2=?
nk=?/v
که v فرکانس است. و ديگري ? را بتوانيم به صورت مختلط به شکل زير تعريف کنيم :
(3-20) ???_1-?i??_2
پس از اين رو داريم :
(3-21) n^2-k^2=?_1
(3-22) 2nk=?_2
وقتي هيچ جذب نوري نداشته باشيم يعني وقتي k=0 باشد، مي توان اين روابط را نتيجه گرفت :
(3-23) n^2=?_1
?_2=0
زماني که k = 0 باشد مي توان ? =0 را نتيجه گرفت. اگر در معادله
(3-24) I=I. exp??(-?x)?

رابطه I/I_0 =1/C برقرار باشد مي توان گفت که x به صورت زير تعريف مي شود :
(3-25) X_P=1/?
که در اينجا X_P به عنوان عمق نفوذ شناخته مي شود. از اين معادله نتيجه مي گيريم که X_P با افزايش ? به شدت کاهش مي يابد[39].

3-2 ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM)

ميکروسکوپ نيروي اتمي يا AFM1 دستگاهي است که براي بررسي خواص و ساختار سطحي مواد در ابعاد نانومتر به کار مي رود. انعطاف پذيري سيگنال هاي بالقوه متعدد، و امکان عملکرد دستگاه در مدهاي مختلف محققين را در بررسي سطوح گوناگون، تحت شرايط محيطي متفاوت توانمند ساخته است. اين دستگاه امکان عملکرد در محيط خلاء، هوا و مايع را دارد. بر خلاف اکثر روش هاي بررسي خواص سطوح، در اين روش غالباً محدوديت اساسي برروي نوع سطح و محيط آن وجود ندارد. با اين دستگاه امکان بررسي سطوح رسانا يا عايق، نرم يا سخت منسجم يا پودري، بيولوژيک و آلي يا غير آلي وجود دارد. خواص قابل اندازه گيري با اين دستگاه شامل ساختار هندسي، توزيع چسبندگي، اصطکاک، ناخالصي سطحي، جنس نقاط مختلف سطح، کشساني، مغناطيسي، بزرگي پيوند هاي شيميايي، توزيع بارهاي الکتريکي سطحي، و قطبش الکتريکي نقاط مختلف مي باشد. در عمل از اين قابليت ها براي بررسي خوردگي، تميزي، يکنواختي، زبري، چسبندگي، اصطکاک، اندازه و غيره استفاده مي شود.

1 . Atomic Force Microscope
3-2-1 نحوه عملکرد AFM

شکل (3-4) به طور نمادين اجزاي اصلي دستگاه AFM را نشان مي دهد.

شکل(3-4) شماتيک اصول عملکرد AFM

اصول کلي کار AFM بدين صورت است که يک سوزن1 بسيار تيزو ظريف به نوک يک شي با قابليت ارتجاع به نام تيرک2 وصل شده و سر ديگر تيرک به يک بازوي پيزو الکتريک متصل شده است. پشت لرزانک با لايه نازک از فلز، براي بهبود انعکاس باريکه ليزر از آن، روکش شده است. انعکاس باريکه ليزر به منظور اگاهي از جهت گيري تيرک در فضا مي باشد. با اعمال اختلاف ولتاژهاي مناسبي به پيزو الکتريک در راستاهاي x وy و z محل اتصال تيرک به پيزو الکتريک را مي توان به هر نقطه دلخواه از فضاي سه بعدي، با دقت انگستروم، منتقل کرد.
از طرفي به هنگام مجاورت سوزن با سطح نمونه، نيرويي به سوزن وارد مي شود که بزرگي و جهت آن وابسته به فاصله نوک سوزن از سطح و همچنين نوع سطح است.
1. Tip
2. cantilever

نيروي ناشي از سطح باعث خم شدن تيرک مي شود و باريکه ليزر در صفحه عمود بر افق جابه جا مي شود. در نتيجه با آگاهي از ميزان خميدگي تيرک توسط ديودهاي نوري و از طرفي معلوم بودن مکان انتهايي تيرک، موقعيت فضايي سوزن مشخص مي شود. از سوي ديگر ميزان خميدگي تيرک بيانگر فاصله سوزن از سطح است که با توجه به مشخص بودن موقعيت فضايي سوزن، موقعيت فضايي سطح تعيين مي شود.
با تغيير پيوسته اختلاف ولتاژ هاي اعمال شده به پيزوالکتريک، سوزن سطح نمونه را جاروب1 مي کند و با مکانيزم ياد شده موقعيت تک تک نقاط سطح معين مي شود و نتيجه در نمايشگر يک کامپيوتر به صورت يک سطح سه بعدي رسم مي شود.
نکته اي که بايد براي بدست آوردن بهترين دقت در نتايج اندازه گيري به آن توجه کنيم اين است که بايد حين فرآيند جاروب سطحي فاصله سوزن از سطح در محدوده مناسبي باقي بماند. چراکه از يک طرف فاصله زياد (در اين نواحي نيروي جاذبه است) موجب کم شدن ميزان انحراف لرزانک و کاهش نسبت سيگنال به نويز در تعيين مؤلفه Z مکان سطح مي شود. از طرف ديگر فاصله بسيار نزديک موجب وارد شدن نيروي زياد به سطح مي شود که علاوه بر آسيب زدن به ساختار سطح و سوزن موجب کاهش درجه تفکيک خواهد شد. به عنوان مثال در مد تماسي AFM (نيروي بين سوزن و سطح دافعه است)
براي بدست آمدن بهترين نتايج، فاصله در حدود چند آنگستروم تنظيم مي شود که نيروي دافعه اي به بزرگي ?10?^(-9) N توسط سوزن به سطح وارد شود. فرايند ثابت ماندن فاصله سوزن از سطح حين روبش سطحي، به طور پيوسته به وسيله يک مدار فيد بک الکترونيکي صورت مي گيرد[40-44] .

3-2-2 آشکار سازي جهت گيري تيرک

همان طور که اشاره شد تعيين جهت گيري تيرک ( ميزان و نحوه ي خميدگي تيرک) به وسيله آشکار ساز انعکاس باريکه ليزر از پشت آن صورت مي گيرد (اگر بردار ? ? بيانگر زاويه بين باريکه ليزر فرودي و باز تابيده باشد آنگاه جهت گيري تيرک 2? ? خواهد بود. )ميزان تغيير مکان باريکه ليزر بازتابيده به وسيله يک ديود نوري2 چهار منطقه اي مشخص مي شود.
1. Scanning
2. Photodiode
در حالت عادي که لرزانک هيچ انحرافي ندارد (تحت نيروي منحرف کننده اي نيست) باريکه باز تابيده در مرکز ديود نوري قرار دارد به گونه اي که به ميزان مساوي هريک از نواحي چهارگانه را مي پوشاند. خم شدن تيرک، که بر اثر نيروي سطح به سوزن مي باشد، باعث جابه جايي باريکه بازتابيده در صفحه عمودي بر افق و در بردارنده تيرک و تغيير نسبت پوشش باريکه ليزر در نيمه بالايي و پاييني ديود نوري مي شود. همچنين پيچش1 تيرک حول محور آن، که به واسطه نيروي عمودي بر سوزن است، باعث جابه جايي افقي باريکه باز تابيده و تغيير نسبت پوشش باريکه ليزر در نيمه سمت راست و سمت چپ مي شود.

شکل (3-5) در بيان جابجايي عمودي و افقي شکل (3-6) خميدگي ? ? تيرک موجب جابه جايي 2? ?
باريکه ليزر بازتابيده به تيرک بر اثر نيروي عمود باريکه ليزر بازتابيده بر روي ديود نوري مي شود.
و مماس بر افق وارد بر تيرک .

از طرفي ديود نوري اين قابليت را دارد که شدت نور ليزر را در هرکدام از نواحي چهار گانه اندازه گيري کند ( اين ديود ها از موادي ساخته شده اند که نور فرودي را به جريان الکتريکي تبديل مي کنند)در اين صورت از روي نسبت پوششي نواحي چهار گانه با محاسبات ساده هندسه تحليلي مي توان ميزان انحراف افقي و عمود بر افق باريکه ليزر را تعيين کرد.

1. Twisting
3-2-3 مدهاي مختلف AFM

بر حسب ناحيه عملکرد سوزن، مدهاي AFM به سه دسته کلي تماسي1 (تقريباً نزديکتر از 5 آنگستروم )، شبه تماسي2 (بين 4 آنگستروم تا 30 آنگستروم) و غير تماسي3 (بين 30 تا 150 آنستگروم) تقسيم مي شوند.

شکل (3-7) نيروهاي وارد بر تيرک در فاصله هاي مختلف از سطح نمونه

مدهاي تماسي و شبه تماسي هر کدام بر حسب ارتعاش يا عدم ارتعاش تيرک به دوسته A. C و P. C طبقه بندي مي شوند. در ناحيه غير تماسي بدليل ناچيز بودن سيگنال نيرو معمولاً فقط از مد A. C استفاده مي شوند.

3-2-4 مدهاي تماسي

مطابق تعريف به ناحيه اي “ناحيه ي تماس” مي گويند که نيروي بين سوزن و سطح دافعه باشد. در مقايسه با مد هاي ديگر نيروي وارد شده به سطح در مدهاي تماسي بزرگتر است. از طرفي به دليل تماسي پيوسته سوزن با سطح حين فرآيند روش نيروهاي اصطکاک قابل توجهي (علاوه بر نيروي عمودي) به سطح و سوزن وارد مي شود که موجب آسيب ديدگي سطوح حساس و کند شدن سوزن مي گردد.

1. Contact mode
2. Semicontact Mode
3. Noncontact Mode

شکل (3-8) مقايسه نمادين بين حالت تماسي و حالت غير تماسي
بر اين اساس مطالعه سطوح حساس و نرم با مدهاي تماسي قدرت تفکيک اندازه گيري را کاهش مي دهد و بعضاً باعث بروز خطاي سيستماتيک در نتايج مي شود. در عين حال بيشترين قدرت تفکيک و دقت اندازه گيري با AFM مربوط به بررسي سطوح سخت با سوزن هاي نازک و فوق تيز و سخت در مد تماسي مي باشد.

3-2-5 روش هاي شبه تماسي

همانطور که قبلاً گفته شد به ناحيه بين تماسي و غير تماسي به علاوه بخش کوچکي از ناحيه تماسي (حدود 4 آنگستروم تا 30 آنگستروم) ناحيه شبه تماسي مي گويند. شايان ذکر است که ناحيه شبه تماسي، اندکي با ناحيه تماسي همپوشاني دارد. به منظور دستيابي به نسبت سيگنال به نويز حداکثر مدهاي متناوب (A. C) در اين ناحيه استفاده مي شود.
حين فرآيند روبش ناحيه نوسانات تيرک به گونه اي است که به ناحيه تماسي هم نفوذ مي کند و در هر دوره تناوب يکبار سطح را لمس مي کند (تحت نيروي دافعه قرار مي گيرد). با کاهش ارتفاع پيزو الکتريک تيرک در حال نوسان به سطح نزديک مي شود. در اين شرايط دامنه اش کاهش مي يابد و از روي اندازه کاهش دامنه فاصله پيزو الکتريک از سطح تعيين مي

متن کامل در سایت sabzfile.com

دیدگاهتان را بنویسید