نمو البذور من البزموت أسلاك متناهية الصغر صفيف عبر فراغ التبخر الحراري

الهدف العام من هذا الإجراء التجريبي هو تنمية أسلاك bismuth النانوية أحادية البلورة بطريقة قابلة للتوسع من خلال التبخير الحراري في فراغ عالٍ. يمكن استخدام هذه الطريقة لتخليق أسلاك bismuth نانوية عالية الجودة وبإنتاجية عالية. وقد حظرت هذه المادة باهتمام كبير في مجال دراسات أشباه الموصلات الكهربائية.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية في أنها لا تتطلب محفزات أو بذوراً، كما أن إجراء عملية التخليق يتم في فراغ عالٍ بحيث يتشكل السلك النانوي بنقاء فائق. توفر هذه الطريقة رؤية حول كيفية تحفيز المسامية النانوية لنمو الأسلاك النانوية التلقائي، ولكن يمكن تطبيقها أيضاً على أنظمة أخرى ذات درجة انصهار منخفضة، مثل indium والقصدير. للبدء، قم بتفريغ غرفة الترسيب وصولاً إلى الضغط الجوي ثم افتح الغرفة.

يتم تفريغ الهواء عن طريق الضغط على زر بدء تفريغ الكمبيوتر (start PC venting) في واجهة برنامج التحكم، وهو ما يبدأ تلقائياً تسلسلاً يعمل على تفريغ الغرفة لتصل إلى الضغط الجوي. عند الوصول إلى الضغط الجوي، يتم فتح الغرفة عن طريق سحب باب الوصول الأمامي.

ثم قم بتركيب قارب تبخير من التنجستن بين زوج من أقطاب التبخير الحراري. ضع جراماً واحداً من حبيبات البزموت في قارب التبخير، وقم بتركيب هدف رش من الفاناديوم في مصدر الرش المغناطيسي. بعد ذلك، صِل موصلات الموز الصغيرة الخاصة بوحدة التحكم في درجة الحرارة ذات الحلقة المغلقة بالتوصيلات الكهربائية لنظام الترسيب.

لتنظيف ركائز النمو باستخدام بلازما الأكسجين، ضع ركائز النمو في جهاز تنظيف بالبلازما وقم بتفريغ الغرفة بالضغط على زر vac on حتى يصل الضغط إلى الضغط الأساسي البالغ 10 millitorr. افتح صمام غاز الأكسجين وأدخل غاز الأكسجين إلى الغرفة بالضغط على زر gas on في اللوحة الأمامية. اضبط معدل التدفق بالضغط على زري INCR و DECR للتحكم في معدل تدفق الغاز للحفاظ على ضغط الغرفة عند حوالي 100 millitorr.

بعد ذلك، اضبط قدرة البلازما على 20 watts بالضغط على زري INCR و DECR للتحكم في القدرة، ثم قم بإشعال البلازما بالضغط على زر RF on. انتظر لمدة خمس دقائق قبل إيقاف تشغيل البلازما بالضغط على زر RF on. بعد ذلك، قم بتنفيس الغرفة بالضغط على زر bleed قبل استخراج الركائز لتحميل ركيزة جديدة.

أولاً، قم بتثبيت مجموعة التحكم في درجة حرارة الركيزة على حامل الركيزة. استخدم مشابك زنبركية لتثبيت ركائز النمو فوق مجموعة مبرد وسخان بيلتير. ثم قم بتركيب حامل الركيزة المجمّع بالكامل داخل غرفة الترسيب البخاري.

مع توجيه الركائز نحو مصادر الترسيب، قم بتوصيل وصلات التغذية الكهربائية بمجموعة المبرد والمسخن من نوع peltier. أغلق غالق الركيزة لتجنب الترسيب غير المقصود على الركيزة. بعد ذلك، ابدأ بعملية تفريغ غرفة الترسيب.

تتم عملية الضخ بالضغط على زر بدء ضخ الكمبيوتر (start PC pumping) في واجهة برنامج التحكم، وهو ما يبدأ تلقائياً تسلسلاً يقوم بتفريغ الغرفة حتى تصل إلى ضغطها الأساسي لترسيب الفاناديوم باستخدام مصدر تذرير بمغنتورون. ابدأ تدفق الأرجون في مصدر التذرير، واضبط معدل التدفق ليكون بين 40 و 50 standard cubic centimeters per minute. اضبط معدل دوران المضخات التربو جزيئية ليكون ضغط الغرفة بين 2.5 و 3 millitorr بينما تصل الغرفة تدريجياً إلى ضغط الحالة المستقرة.

قم بضبط عوامل معايرة السمك للميزان البلوري الدقيق أو QCM لعنصر الفاناديوم. تبلغ الكثافة 5.96 grams per cubic centimeter، وعامل Z هو 0.530. قم بتشغيل مصدر الرش DC واضبط القدرة بين 200 و 250 watts دون فتح غالق الركيزة.

اترك المصدر يعمل لمدة دقيقتين. افتح غالق الركيزة لبدء ترسيب الفاناديوم. وفي هذه الأثناء، قم بتصفير السمك التراكمي في ميزان البلورة الكوارتزية (QCM).

استمر في الترسيب حتى يتراكم سمك ظاهري قدره 20 nanometers وفقاً لقراءة QCM. ثم أغلق غالق الركيزة، وقم بتقليل قدرة الرش تدريجياً حتى تصل إلى الصفر. بعد ذلك، أوقف تشغيل المصدر، وأغلق تدفق argon.

أخيراً، أعد المضخة التوربينية الجزيئية إلى طاقتها الكاملة. من المهم جداً الحفاظ على درجة حرارة الركيزة بشكل مستقر ودقيق، حيث إن خطوط الفيروس النانوي تتأثر بشدة بدرجة الحرارة. لترسيب البزموت في درجات حرارة أعلى أو أقل من درجة حرارة الغرفة، اضبط القيمة المطلوبة في متحكم درجة الحرارة. انتظر حتى يتم الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة.

قم بضبط عوامل معايرة السماكة في جهاز QCM للبزموت. الكثافة هي 9.78 grams per cubic centimeter، وعامل Z هو 0.790. قم بتشغيل مصدر طاقة التبخير الحراري لمصدر البزموت.

ثم زد قوة التسخين ببطء للقارب التنجستني حتى يتم الوصول إلى معدل ترسيب قدره 2 angstroms per second. وبناءً على قراءة QCM، قم بتصفير السماكة المتراكمة في الـ QCM. وفي هذه الأثناء، افتح غالق الركيزة لبدء ترسيب البزموت.

استمر في الترسيب حتى يتراكم سمك ظاهري قدره 50 nanometers. ثم أغلق غالق الركيزة. قلل قدرة التبخير الحراري تدريجيًا حتى تصل إلى الصفر.

أوقف تشغيل المصدر. افصل مصدر الطاقة عن سخان المبرد الكهربائي الحراري. قم بتفريغ غرفة الترسيب لتصل إلى الضغط الجوي ثم افتح الغرفة.

وأخيراً، استخرج حامل الركيزة واجمع الركائز المغطاة بأسلاك البزموت النانوية. تُعرض هنا صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للمقطع العرضي لطبقة الفاناديوم التحتية التي تم تكوينها بواسطة طرق الرش المهبطي والتبخير الحراري. كما تُعرض صور SEM لأسلاك البزموت النانوية التي تم تكوينها عند درجات حرارة مختلفة للركيزة.

يتم تحديد البنية البلورية لأسلاك البزموت النانوية من خلال دراسات المجهر الإلكتروني النافذ، وحيود الإلكترونات في المنطقة المحددة، وحيود الأشعة السينية. ويشير التحليل العنصري بواسطة مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة إلى أن أسلاك البزموت النانوية غير مسبوكة مع الطبقة السفلية من الفاناديوم. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية النمو المائل.

ترسيب الأسلاك النانوية أحادية البلورة عن طريق التبخير الحراري في الفراغ العالي. أثناء تنفيذ هذا الإجراء، من المهم التحكم في درجة حرارة الركيزة بدقة لأنها يمكن أن تؤثر بشكل كبير على أبعاد الأسلاك النانوية. كما يعد الضغط الأساسي المنخفض أمرًا بالغ الأهمية لتجنب أكسدة المواد المتبخرة بعد تكوينها. لقد مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال التخليق الفيزيائي للبنى النانوية لاستخدام طاقة السطح كقوة دافعة لإنتاج بنى نانوية فائقة وعالية الجودة.