دانلود رایگان ترجمه مقاله لایه های نازک فلزی آمورف (ساینس دایرکت – الزویر 2015)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) (ترجمه به صورت ناقص انجام شده است)

به منظور بررسی تغییرات سطح مقطع ساختار و ترکیب فیلم های حرارت دهی شده، سطح مقطع عای TEM، خطوط اسکن EDS و پروفایل های عمق کندوپاش XPS به ترتیب در شکل های 2a، b و c نشان داده شده است. در تصویر 2a از راست به چپ SiO2 اکسید شده روی Si، فیلم ZCAN حرارت دهی شده به مدت 60 دقیقه در 300 درجه و لایه های نامنظم کربنی که برای جلوگیری از آسیب نمونه در حین فرایند FIB استفاده می شود نشان داده شده است. همان طور که در شکل 2a نشان داده شده فیلم ZCAN فاقد نواحی بلوری است و این نشان می دهد که فیلم پس از حرارت دهی 300 درجه در هوا، غیربلوری باقی می‌ماند. به نظر می‌رسد فیلم دارای یک لایه سطح یکنواخت با دانسیته الکترونی پایین و ضخامت 20 نانومتر است. درجه هایی از زبری سطح که منجر به تغییر ضخامت می گردد مشاهده شده است (شکل 1c). یک خط اسکن EDS از شکل 2a در شکل 2b نشان داده شده است. این خط اسکن که لایه سطحی دیده شده را تایید می کند می تواند به تشکیل اکسید نسبت داده شود. در لایه سطحی اکسید نیز غلظت Zr و Al افزایش و غلظت Cu و Ni کاهش می یابد که به تغییر مشاهده شده در شکل 1d مربوط می شود. این نتایج دلالت بر این موضوع دارد که لایه ای حاوی اکسیدهای Zr و Al در حین حرارت دهی برروی سطح فیلم ایجاد می شود. افزایش اکسیدهای Zr و Al بعد از حرارت دهی در 300 درجه، مطالعات قبلی اکسیداسیون ZCAN BMG را تایید می کند اما فقدان اکسید Cu روی سطح با برخی از مطالعات قبلی تطابق دارد [17] و با برخی مغایرت دارد [18]. به علاوه در نزدیکی فصل مشترک لایه اکسید و فیلم ZCAN به ترتیب در عمق 23 و 30 نانومتر دو ناحیه غنی از Cu و Vi دیده می شود. یک پروفایل عمق XPS از همان نمونه نیز در شکل 2c نشان داده شده و روند مشابهی از نظر ترکیب و ضخامت فیلم دارد.
یک لایه نازک روشن تر که در تصویر BFTEM (شکل2a) در فصل مشترکSiO2 دیده می شود و سیگنال انتهاییZr در فصل مشترک SiO2 نشان دهنده این است که یک لایه اکسید در فصل مشترک بین فیلم ZCAN و لایه SiO2 تشکیل می شود که با گزارشات قبلی تطبیق دارد [13].
برای دستیابی به چشم اندازه درمورد تغییراتی که در حین فرایند حرارت دهی رخ می دهد پروفایل های عمق کندوپاش XPS حالت شیمیایی در شکل 3 برای نمونه های لایه نشانی شده و نمونه های حرارت دهی شده در بازه های مختلف نشان داده شده است. مشاهده شده که (شکل 3a) فیلم، دارای توزیع نسبتا یکنواختی از فلزات است و محتوی Zr و Ni آن به آرامی افزایش و در مقابل Cu و Ni در همان مناطق کاهش می یابد [19]. مقدار کمی اکسیژن، که در طول لایه نشانی پیوند می دهد، در طول ضخامت فیلم دیده می شود. ترکیب اتمی توده فیلم ها با استفاده از مقدار غلظت متوسط در منطقه تخمین زده شد. ترکیب اتمی فیلم حدود 47 at% Zr، 32 at% Cu، 5 at% Al، 11 at% Ni و 5 at% O است. نمونه های قبلی که در شرایط مشابه لایه نشانی شدند تطابق بهتری با ترکیب هدف داشتند و این امر نشان می دهد کندوپاش حرفه ای ممکن است منجر به کاهش محتوی Al شود [8]. تخمین زده شده غلظت اکسیژن در فیلم 5 at% است در صورتی که بعد از حرارت دهی در 300 درجه به مدت 5 دقیقه (شکل 3b) سیگنال اکسیژن در ضخامت فیلم تا 2 at% کاهش یافت. این داده ها نشان می دهد اکسیژن پیوندی در طی مراحل ابتدایی حرارت دهی از داخل فیلم نفوذ می‌کند. تغییرات اندک محتوی اکسیژن (1.6+0.6 at%) در فیلم نازک ZCAN با حرارت دهی اضافی از 15 تا 120 دقیقه مشاهده گردید.
علاوه بر نفوذ اکسیژن از توده فیلم، در فصل مشترک لایه اکسید و فیلم فلزی ZCAN جدایی Cu و Ni نیز اتفاق می افتد که منجر به ایجاد مناطق غنی از Cu و Ni می گردد. این موضوع در پروفایل های عمق کندوپاش XPS حرارت دهی 60 دقیقه ای (شکل2) نیز دیده می شود. نفوذ فلز Ni و Cu در مرز اکسید نیز در حین اکسیداسیون ZCAN BMG مشاهده شد [20]. در مطالعه فعلی، پدیده مشابهی مشاهده گردید اما هندسه فیلم نازک منجر به غنی شدن این گونه ها در فصل مشترک اکسید می شود. این روند با افزایش زمان حرارت دهی افزایش می یابد (شکل 3c-f) و تا جایی که مناطق غنی از Cu و Ni در طول رشد سطح لایه اکسید Zr و Al از هم جدا می شود. این فرایند در شکل4 خلاصه شده است. همان طور که در شکل 4a دیده می شود ماکسیمم غلظت Cu از 5 تا 15 دقیقه از مقدار 38 تا 3/54 افزایش می یابد و با افزایش زمان حرارت دهی تغییرات اندکی می کند (53 تا 56%). افزایش ماکسیمم غلظت Ni به صورت تدریجی رخ می دهد به صورتی که ماکسیمم از 1/11 تا 5/19 درصد در 5 تا 30 دقیقه با افزایش مینیممی کمتر از 1 at% بین 30 تا 120 دقیقه زمان حرارت دهی اتفاق می افتد. همان طور که در شکل 4b نشان داده شده مکان نواحی غنی از Cu و غنی از Ni حتی با رشد سطح اکسید با افزایش زمان حرارت دهی نسبتا ثابت باقی می ماند. در نواحی غنی از Cu که در حین حرارت دهی ایجاد می شود (شکل 3c-f) محتوی zr کاهش می یابدو این امر با مشاهدات قبلی درمورد جدایی این گونه ها در حین حرارت دهی دمای پایین در فیلم نازک [13] و توده ZCAN [21] تطابق دارد.
همان طور که در شکل 4b دیده می شود غلظت اکسید پس از 5 تا 30 دقیقه حرارت دهی به ترتیب به طور چشمگیری 2 تا 15 نانومتر افزایش می یابد و سپس بعد از 120 دقیقه به آرامی تا 17 نانومتر افزایش می یابد. بررسی های قبلی ZCAN BMG نشان می دهد اکسیداسیون سطحی در شرایط مورد مطالعه، از یک الگوی سهموی پیروی می کند [23]. یک خط‌چین در شکل 4b نشان داده شده که طول نفوذی سهموی d=√4Dt را تعیین می کند به طوریکه D ضریب نفوذ و t رمان نفوذ است. با تقریب مناسبی D=2.9e-20 m2/s داده های تجربی زمان حرارت دهی بین 0 تا 30 دقیقه را نوجیه می کند. این مقدار یک درجه بزرگی مقداری است که برای نفوذ Ni در ZCAN BMGبه دست آمد [24]. ارتباط نزدیک بین رشد اکسید و نفوذهای تجربی به دست آمده نشان می دهد همان طور که تحقیقات قبلی تایید کرده بود، اکسیداسیون سطحی در ابتدا به وسیله نفوذ معکوس Ni و یا Cu درZCAN BMG محدود می شود. باید دقت شود که طول نفوذ متناظر D=2.9e-20 در زمان 60 دقیقه برای گستره وسیعی از منطقه اکسید شده (تاریک) که در آنالیز HAADF در بالا وجود دارد (شکل 1C) سازگار است و نشان می دهد اکسیداسیون جانبی نیز ممکن است با نفوذ Ni و یا Cu در فیلم کمترل شود.
در زمان های حرارت دهی بین 30 تا 120 دقیقه رشد ضخامت اکسید از حالت سهموی منحرف می شود که نشان دهنده این است که اکسیداسیون ممکن است به وسیله نفوذ یک ماده دیگر مانند Zr محدود شده باشد. رشد اکسید بین 30 تا 120 دقیقه را می توان به خوبی با رابطه خطی تقریب زد و در نتیجه یک نرخ رشد اکسید برابر 0.032 nm/min به دست می دهد. این نرخ رشد با مطالعات قبلی اکسیداسیون فلز Zrتطابق دارد [25]. در مطالعات قبلی اکسیداسیون Zr را می توان به دو رژیم سریع ابتدایی و به دنبال آن یک رژیم آرام تر نسبتا خطی تقسیم کرد. برای 30 درجه این انتقال در نزدیکی 40 دقیقه رخ داد و نرخ رشد برای زمان بیشتر از 40 دقیقه حدود 0.03 nm/min بود [25]. هم زمان انتقال و هم نرخ رشد با مطالعه حاضر تطابق دارد و نشان می دهد رشد اکسید در زمان های حرارت دهی بیشتر (30 تا 120 دقیقه) ممکن است با نفوذ بیشتر Zr کنترل شود.
براساس تئوری های رشد اکسید کنترل شده میدان الکتریکی می توان رفتار اکسیداسیون دده شده را بیشتر توصیف کرد [26]. می توان گفت اختلاف پتانسیلی در لایه بین اکسیژن سطحی جذب شده و فلز یجاد می شود و این میدان الکتریکی به وجود آمده موجب نفوذ کاتیون ( در این مورد Zr) در اکسید در حال رشد می گردد. نیروی محرکه این رشد موجب حفره الکترونی در طول لایه اکسید می شود که تا رسیدن به یک ضخامت بحرانی مه درآن افت رشد اکسید رخ می دهد، به صورت نمایی با فاصله کاهش می یابد. بزرگ تر بودن ضخامت اکسید در این مطالعه (15 نانومتر) در مقایسه با مطالعه قبلی فلز Zr(2.5 نانومتر) را می توان با کمتر بودن فشار اکسیژن در مطالعه قبلی (PO2=2e-6 pa) و یا تفاوت ترکیب فلز توجیه کرد [25]
حال مشاهدات خود درمورد ناهمگونی ترکیبی که در طول مراحل ابتدایی اکسیداسیون حرارتی فیلم های نازک ZCAN مشاهده شد را به طور خلاصه بیان می کنیم. حرارت دهی در دمای 300 درجه موجب مهاجرت اکسیژن پیوندی در طول لایه نشانی توده فیلم ZCAN حتی در زمان های کوتاه می شود. به طور مشابه ضخامت لایه اکسید زیاد می شود. در ابتدا Zr و Al در سطح فیلم در دسترس است در نتیجه تشکیل اکسید توسط نفوذ معکوس Cu و Ni محدود شده و منجر به رشد سریع اکسید در زمان کمتر از 30 ذقیقه می شود. رشد در این رژیم ممکن است با مهاجرت کاتیون های zr به سطح اکسید از طریق میدان الکتریکی لایه اکسید بیشتر شود. جابجایی Cu و Ni منجر به افزایش این گونه ها در سطح مشترک اکسید- فیلم می شود. Ni به علت نفوذ بهتر نسبت به Cu راحت تر جابجا می شود [27] و این امر موجب ایجاد لایه اکسید مجاور می شود. در زمان های بیشتر از 30 دقیقه مقدار بیشتری از فلز Zr در نزدیکی سطح فیلم اکسید می شود و رشد توسط نفوذ Zr محدود می شود که در نتیجه نرخ رشد با اکسیداسیون فلز Zr کنترل می شود [25]. پیشنهاد شده با اکسیداسیون که لایه چگالی از ZrO2 تشکیل می شود و همان طور که فلز Zr در اکسیداسیون مصرف می شود لایه ای غنی از مس در زیر تشکیل می شود. از آن جا که این مطالعات در دمای اتاق انجام شد رشد چشمگیری در لابه ZrO2 دیده شد.

4. نتیجه گیری
اکسیداسیون حرارتی فیلم نامتبلور فلزیZCAN برای زمان های کوتاه (کمتر از 60 دقیقه) و دماهای پایین (300 درجه) منجر به ناهمگونی های چشمگیری در دو جهت عمودی و افقی می گردد. ما دریافتیم که بدون توجه به شرایط اکسیداسیون مورد مطالعه فیلم ها نامتبلور باقی می ماند. پیوند اکسیداسیون حین لایه نشانی می تواند به پایداری فاز نامتبلور کمک کند اما ما دریافتیم که حتی در مراحل ابتدایی حرارت دهی، اکسیژن بسیار متحرک است. نفوذ سریع اکسیژن در فیلم ZCAN ممکن است منجر به ناپایداری خواص ماده و دستگاه شود. مراحل ابتدایی اکسیداسیون سطحی با مطالعات قبلی تطابق دارد اما ما مشاهده کردیم که شرایط مرزی منحصر به فرد فیلم های نازک منجر به تفاوت هایی در خواص اکسیداسیون فیلم های ZCAAN می شود. این بررسی جزئی نقش نفوذ هرگونه فلزی، چشم اندازی درمرد مراحل ابتدایی فرایند اکسیداسیون سطحی به دست می دهد که انتظار می رود در تعیین پایداری فیلم های نازک ZCAAN برای بسیاری از کاربردها مفید واقع شود.