مطالعه نظری رشد نانولایه های اکسیدهای فلزی یا نیمرسانا روی بستر عایق

(شامل تعریف مسأله، سئوالات اصلی تحقیق، اهداف) نیمرساناها نقش بسیار مهمی در قطعات الکترونی ایفا می کنند. قطعاتی که بر اساس نیمرساناها کار می کنند زمینه ساخت ابزار مهم تکنولوژیکی از قبیل ترانزیستورها، دیود ها، سلول های فتوولتایی و آشکارساز ها را فراهم می آورند. در این بین نیمرساناهای اکسیدی به خاطر خواص الکتریکی بسیار متنوعی که نشان داده اند، مورد توجه قرار گرفته اند. با توجه به ارزان وساده تر بودن تهیه برخی از آنها پیش بینی می شود که نیم رساناهای مرکب از قبیل نیمرساناهای اکسیدی به تدریج جایگزین صنایع الکترونی متکی بر سیلیسیم شوند. در میان نیمرساناهای اکسیدی که در سال های اخیر توجه عده کثیری از پژوهشگران را به خود جلب کرده است می توان از دی اکسید قلع sno2 نام برد. این ماده مخصوصا به صورت لایه نازک به عنوان یک هادی شفاف مورد توجه محققان می باشد و زمینه را برای پیشرفت الکترونیک شفاف فراهم نموده است. در بسیاری موارد به منظور حفظ خواص یا افزایش قابلیت های مواد، باید سطح آنها را با لایه ای نازک از ماده ای دیگر بپوشانیم. لایه های نازک نیز، لایه های طراحی شده از انواع مواد از قبیل فلزات، عایق ها و نیمه هادی ها هستند. کاربرد عمده لایه های نازک در اصلاح خواص سطحی جامدات است. با توجه به اهمیت کاربردی دی اکسید قلع، شناخت هرچه بیشتر نحوه تشکیل و ساختار لایه نازک آن از اهمیت بسزایی برخوردار است . از طرف دیگر با توجه به تحولاتی که در زمینه نانو فناری انجام شده و امکان تهیه نانو لایه این ماده مقدور است، بررسی خواص ویژه آن نیز جزو زمینه های مورد علاقه پژوهشگران می باشد. روش های سنتز گوناگون برای ساخت لایه های نازک وجود دارد اما در عین حال روش های محاسباتی و شبیه سازی در حوزه فناوری نانو نقش ارزنده ای به عهده دارد و توانایی ایجاد مدل سازی ساختار های پیچیده در مقیاس نانومتری را فراهم کرده اند. درک بیشتر و بهتر مکانیزم رشد نانولایه ها به واسطه روش های محاسباتی کاربردهای تکنولوژیکی وسیعی دارد و با ارائه پیشنهاداتی از نتایج محاسبات می توان باعث پیشرفت درعرصه تولید انبوه نانولایه ها و بهبود کیفیت تولید آنها شد. هدف از این پروژه بررسی مکانیزم رشد نانولایه های sno2 روی یک بستر مناسب جامد و بررسی نقش عوامل موثر در تشکیل این نوع ساختار می باشد. این مطالعه بر اساس روش شبیه سازی دینامیک مولکولی انجام می شود. قبل از اینکه کار شبیه سازی را شروع کنیم مدلی برای سیستم باید ارائه دهیم و سپس با در نظر گرفتن پتانسیل های از پیش تعریف شده بین اجزای مختلف سیستم رفتار آن را بررسی کنیم. تعداد ذرات در فاز گازی، دما و فشار سیستم و به عبارتی نوع آنسامبل باید تعیین شود. برهم کنش های بین اجزای مختلف سیستم از قبیل برهمکنش ذرات با هم و برهمکنش ذرات با سطح زیرلایه به صورت پتانسیل های بین اجزای سیستم معرفی می شود. البته به دلیل وجود تعداد زیاد ذره ها در یک دستگاه تعیین شکل دقیق پتانسیل واقعی میسر نیست. در عمل، پتانسیل با تقریب و بر اساس نتایج تجربی انتخاب می شود و انتخاب صحیح آن بسیار اهمیت دارد. در شبیه سازی می توان ابعاد را تا حد دلخواه کوچک و بزرگ کرد و فشار و دمای مورد نظر را اعمال نمود. یکی از مهم ترین کارهای شبیه سازی در فناوری نانو کمک به فهم و طراحی درست آزمایشگاهی نانوسیستم ها است. از آنجا که دی اکسید قلع به عنوان پوشش فلزات دیگر به کار می رود تا آنها را از خوردگی حفظ کند و در ساخت سنسورهای گازی نیز کاربرد فراوان دارد، بررسی چگونگی لایه نشانی آنها به صورت تئوری و محاسباتی ارزش قابل ملاحظه ای برای کارهای پرهزینه تجربی دارد. (شامل روش کار، آزمایش ها، وسایل و تجهیزات مورد نیاز) مراحل کار در شبیه سازی دینامیک مولکولی را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد: ابتدا مدلی را برای سیستم انتخاب می کنیم و سپس میدان نیرو را مشخص می کنیم، پس از آن معادله نیوتن را برای تمام ذرات به روش عددی حل می کنیم و کمیت هایی از قبیل فشار و دما را اندازه گیری می کنیم و در نهایت نتایج به دست آمده را تحلیل نموده و با نتایج تجربی مقایسه می کنیم. انتخاب مدل در شبیه سازی به معنای انتخاب پتانسیل است. میدان نیرو یا پتانسیل را به این صورت در نظر می گیریم: بخشی که مربوط به ذرات پیوندیافته است و قسمتی که ناشی از ذرات غیرپیوندی است. در واقع پتانسیل یکی از ورودی های اصلی هر شبیه سازی دینامیک مولکولی است. تابع پتانسیل به هندسه ذرات بستگی دارد و تقارن مولکول ها و سخت بودن یا انعطاف پذیر بودن آنها را در انتخاب پتانسیل باید در نظر داشت. در حالت کلی انرژی پتانسیل یک سیستم n ذره ای را می توانیم طوری بسط دهیم که به مختصات اتم های مجزا، اتم های جفتی و اتم های سه تایی و غیره بستگی داشته باشد. در ابتدای هر شبیه سازی باید شرایط اولیه دستگاه را که شامل مکان و سرعت های آغازین ذره های دستگاه هستند مشخص کنیم. مکان های اولیه ذرات را می توانیم با استفاده از یک برنامه تولید کننده اعداد کاتوره ای به صورت تصادفی تولید کنیم یا از نتایج تجربی بهره مند شویم. سرعت های اولیه ذرات دستگاه از آنجا که به دمای دستگاه بستگی دارد باید در کد اصلی برنامه ایجاد شود. اگر داده ها را از شبیه سازی های قبلی و یا نتایج تجربی استخراج کنیم، در این انتخاب باید در نظر داشته باشیم که توزیع سرعت ها با دمای دستگاه سازگاری داشته باشد و نیز تکانه کل دستگاه صفر باشد. برای شبیه سازی دینامیک مولکولی می توانیم از کدهای آماده استفاده نمائیم یا مستقیما برنامه نویسی کنیم. در این پروژه با وجود اینکه از نرم افزارهای رایج شبیه سازی استفاده می شود اما تئوری کار نیز مورد توجه قرار می گیرد تا در صورت لزوم بتوانیم تغییرات لازم را در کدهای آماده اعمال کنیم. برای شبیه سازی سیستم از کد دی ال پلی (dl_poly.2) استفاده شده و تعداد ذرات sno2 در فاز گازی و sio2در فاز جامد ، دما و فشار، نوع آنسامبل و هندسه سیستم از جمله شرایط اولیه مفروض می باشند. این محاسبات پس از آزمون های مختلف برای تعیین شرایط محاسباتی از قبیل انتخاب پتانسیل و سایر پارامتر ها طی چندین مرحله با کامپیوتر4 هسته ای یا 8 هسته ای به صورت موازی انجام شده است. محاسبات با تعداد بیشتر اتم و با تغییر شرایط در حال انجام است که زمان طولانی لازم دارد. ملاحظه می شود در چارچوب شرایط اولیه مفروض لایه نشانی با موفقیت انجام شده است که زمینه را برای مطالعه سیستم بزرگتر و پیچیده تر فراهم می کند. مراحل انجام طرح: یادگیری کدهای شبیه سازی مورد نیاز و سیستم عامل لینوکس، شبیه سازی سیستم مورد نظر، بررسی نتایج به دست آمده و تحلیل داده ها، نگارش پایان نامه لوازم مورد نیاز : نرم افزار dl_poly.2، سیستم عامل لینوکس، کامپیوتر حداقل 4 یا 8 هسته ای پتانسیل بین ذرات در زیرلایه باکینگهام و بقیه از نوع لنارد جونز می باشد. برهم کنش های جفتی بین مـولکولی ذرات شامل برهمکنش های واندروالسی و کولنی در محاسبات لحاظ شده و از برهم کنش های درون مولکولی صرفنظر شده است. پارامتر های این پتانسیل برای برهم کنش ذرات sno2 از مرجع [6] و برای زیرلایه sio2 از مرجع [7] دریافت شده است. موقعیت ذرات sno2 در فاز گازی به روش تصادفی و و موقعیت ذرات sio2 از داده های تجربی انتخاب شده است. موقعیت اولیه اتمها در زیرلایه با استفاده از داده های کریستالوگرافی انتخاب شده است. این سیستم با تعداد ذرات 900 اتم زیرلایه و 30 اتم ذرات فرودی بررسی شده و طول گام زمانی 0.001 پیکو ثانیه و شعاع قطع پتانسیل 12 آنگستروم در نظر گرفته شده است. در تحول مکان و سرعت ذرات تا قبل از رسیدن سیستم به تعادل دما تغییر می کند و پس از آن به خاطر در نظر گرفتن آنسامبل کانونی میانگین دما ثابت خواهد بود. زیرلایه sio2 قبل از حضور ذرات sno2 در دمای k 10000 و با ساختار تری گونال شبیه سازی شده است. دما و فشار برای لایه نشانی ذرات sn و o_sn یه ترتیب برابر با k3000 و 0.0 atm می باشد. شرایط مرزی برای لایه نشانی، شرایط مرزی دو بعدی می باشد. و برای کنترل دما از ترموستات نوزه- هوور استفاده شده است. براساس روش md ، محاسبات عددی برای سیستم شامل اتم های sn و o_sn در حضور بسترsio2 به شرح فوق انجام شد. ملاحظه می شود در چارچوب شرایط اولیه فوق لایه نشانی با موفقیت انجام شده است که زمینه را برای مطالعه سیستم بزرگتر و پیچیده تر فراهم می کند. محاسبات انرژی نشان می دهد که سیستم با مینیمم شدن انرژی کل به حالت پایدار می رسد. فرایند لایه نشانی در سیستم شامل ???? اتم نیز انجام شد و با محاسبه پارامترهایی از قبیل طول پیوندی جفت ذرات با استفاده از تابع توزیع شعاعی درستی نتایج و ساختار لایه تشکیل شده بررسی شد. همچنین نمودار میانگین مربع جابه جایی در دماها و فشارهای متفاوت انجام شد. در بازه دمایی ??? تا ??? کلوین لایه یکنواخت تری تشکیل شد. میانگین ضخامت مشاهده شده در بازه ?.? تا ?.? نانومتر می باشد.