دانلود پایان نامه نظم هندسی و مؤلفه های

فصل اول
Widget not in any sidebars

معرفی جامدات و نیمرساناهای آمورف
نظریه الکترونی سیستم های بی نظم
مروری بر برخی کاربردهای جامدات آمورف
1-1) مقدمه
مواد آمورف با توجه به اهمیت آنها از نظر خواص و کاربردهای فناوری بسیار حائز اهمیت هستند و لازم به ذکر است که مواد آمورف یا بی شکل، مواد جدیدی نیستند و شیشههای سیلیکاتی دارای قدمت بیلیون ساله اند]1[.
در فیزیک ماده چگال، مواد بی شکل یا غیر بلوری جامداتی هستند که فاقد نظم بلندبرد بوده که از ویژگی های یک بلور است. امروزه، “جامد بی شکل” به عنوان مفهوم فراگیر و شیشهای خاص مورد استفاده قرار می گیرد [2].
مواد آمورف به خاطر خواص منحصر به فرد خود جایگاه ویژه ای در صنعت دارند که این خواص تقریباً در جامدات بلوری مشاهده نمی شود. از جمله دلایل دیگر اهمیت این مواد این است که آنها را نسبت به مواد بلوری نسبتا راحت تر می توان تهیه و همچنین خواص نوری و الکتریکی مواد آمورف را میتوان از طریق تغییر درصد مولی مؤلفه های تشکیل دهنده آن ها کنترل کرد [1و3]. مواد آمورف بصورت توده ایو لایه های نازک به این علت که رشد مسیرهای رسانشی در آنها نسبت به مواد بلوری آسانتر بوده و تغییرات فیزیکی در ساختار این مواد با سرعت بیشتری انجام می شود، در سیستم های کلیدزنی بسیار مورد استفاده اند.از دیگر کاربردهای این مواد می توان به کاربرد در تهیه فیبر های نوری اشاره کرد ]1[.
لازم به ذکر است که در جامدات آمورف میانگین مسافت پویش آزاد حامل بار کوچکتر از ثابت شبکه ای a است در صورتیکه در یک شبکه بلوری بزرگتر می باشد]4[.
در بخش پایانی فصل برخی کاربردهای مواد آمورف را در دسته بندی های خاص بیان خواهیم کرد.
1-2) کلیات و تعاریف در مورد جامدات آمورف (بی شکل)
جامدات بی شکل، غیربلوری هستند و فاقد نظم تناوبی بلندبرد در آرایش اتم های تشکیل دهنده می باشند. همه مواد را می‌توان با جلوگیری از تبلورشان بصورت آمورف درآورد، به این صورت که باید سرعت سرمایش برای تبدیل فاز مایع به جامد به قدری بالا باشد که اتم‌ها فرصت حرکت و چیده‌شدن بصورت بلوری در کنار یکدیگر را نداشته‌باشند. از شیشه‌ها می‌توان به عنوان نمونه مناسبی در این زمینه اشاره کرد. در مواد بلوری به هنگام گرم‌کردن جامد مستقیما به فاز مایع تبدیل می‌شود، اما در مواد آمورف، در میانه گرمایش، ابتدا جامد ترد تبدیل به جامد نرم می‌شود و سپس با ادامه گرمایش ذوب رخ می‌دهد. دمایی که در آن جامد ترد به نرم تبدیل می‌شود را دمای گذار شیشه ای می‌نامند. البته منظور این نیست که مواد بی شکل به طور کامل بر روی مقیاس اتمی بی نظم هستند بلکه می توانند بصورت محلی دارای نظم کوتاه برد باشند ]5و6[.
بطور مثال بیشتر فلزات دارای ساختار بلوری هستند و فلزات بلوری در سه بعد تکرار می شوند، اما برای فلزات آمورف ساختار اتفاقی است . گرما دادن به فلز آمورف باعث ایجاد ساختار کریستالی در این مواد می شود. فلزات آمورف به میزان زیادی زنگ نزن، غیر مغناطیسی و از فلزات قراردادی چندین برابر قوی تر هستند و این فلزات استحکامی سه برابر فولاد، با وزن یکسان دارند. فولادهای آمورف می توانند به عنوان یک ماده با وزن کم با پلاستیک ها و کامپوزیت ها در زمینه های حمل و نقل و الکتریسته رقابت کنند. مشکل این مواد (فلزات آمورف) ترد بودن آنها می باشد آنها در صورت اعمال شوک مانند شیشه میشکنند ]7[.
جامدات بی شکل به دلیل فقدان نظم و تناوب بلندبرد در شبکه، دارای ویژگی های خاصی هستند که در مواد بلوری دیده نمی شود. در بلور کامل، اتم ها به طور تناوبی و نامتناهی در یک فضای سه بعدی تکرار می شوند و به عبارت بهتر نظم بلندبرد داشته و تابع موج الکترونی در آن ها تابع موج بلاخ می باشد، در حالیکه در جامدات بی شکل تابع موج بلاخ دیگر معتبر نیست. بلورهای محدود دارای ناکاملی های سطحی و حاوی نقایصی مانند تهیجا، اتم بین شبکه ای، دررفتگی، بلورهای ناکامل یا واقعی هستند. با این وجود، بی نظمیمی تواند فراتر از حد ناکاملی در بلور باشد ]5[. بنابراین می توان از نظر ساختاری جامدات را به طور کامل، به سه دسته بلوری، چندبلوری و بی شکل تقسیم نمود که طرحواره بلور کامل و بی شکل در شکل (1-1) نشان داده شده است]8[؛ البته لازم است بین جامدات بی شکل و چندبلوری تفاوت قائل شویم، بدین صورت که در جامدات بی شکل صرفاً ممکن است مناطقی کوچک با نظم کوتاه برد در ریز ساختار نمونه وجود داشته باشد در صورتیکه در حالت چندبلوری، نظم بلوری حوزه های مختلف با هم تفاوت دارد ]6[.
شکل 1-1) یک ساختار دو بعدی فرضی: a) شکل بلورین b) چندبلوریc) بی شکل ]1[.
در این طبقه بندی یادآور می شویم که در مواد بی شکل نظم بلندبرد وجود ندارد که به معنی فقدان نظم کوتاه برد روی پیکربندی نزدیکترین همسایه ها نیست و بسیاری از خواص جامدات بی شکل معطوف به وجود همین نظم کوتاه برد می باشد. بنابراین می بایست انواع مختلف بی نظمی را معرفی نماییم.
1-3) تعریف بی نظمی و انواع آن
از زمانی که برای نخستین بار تشخیص داده شد بی نظمی کافی موجب جایگزیدگی حالت های الکترونی درون نوارهای انرژی رسانش و ظرفیت می شود، 50 سال می گذرد (جایگزیدگی در بخش های بعد معرفی خواهد شد). اگر بی نظمی برای جایگزیدگی تمام حالت های درون نوار کافی نباشد آنگاه تنها برخی از حالت های الکترونی همچون آن هایی که در لبه نوارهای انرژی مجاز قرار دارند، جایگزیده می شوند. حتی برای بی نظمی بی نهایت کوچک، حالت های جایگزیده با چگالی های کوچک وجود دارد. جدایی میان پایین ترین انرژی حالت های جایگزیده در پایین نوار رسانش، محدوده ای از انرژی را پدید می آورد که به عنوان گاف تحرک شناخته می شود. برای نیمرساناهای آمورف چنین جایگزیدگی موجب ایجاد پیامدهای فراوانی در بسیاری از خواص الکترونی و نوری می شود. اگرچه پیشرفت قابل توجهی در درک جزئیات این حالت ها به وجود آمده است بسیاری از مسائل مهم مبهم باقی مانده است. حتی جامدهای بلوری نیز بی نظم هستند. در واقع تمامی جامدات واقعی در دمای محدود رشد می یابند و دچار ناراستی ترمودینامیکی می شوند. همچنین می توان گفت ناخالصی ها همواره در جامدات واقعی وجود دارند. حتی اگر تصور شود که یک جامد کامل مثل Si و Ge که دارای هیچگونه ناخالصی یا ناراستی نیست، به علت وجود ایزوتوپ های مختلف دارای بی نظمی خواهد بود]9[. به عبارت دیگر، در بلورهای کامل، تمامی ویژه حالتهای تک ذره ای، حالت های بلاخ هستند که در سراسر فضا گسترش یافته اند. در جامدهای بی نظم، حالت های جایگزیده و گسترده می تواند بطور همزمان وجود داشته باشد هرچند که دارای انرژی های مختلفی باشند. انواع حالت های جایگزیده و غیر جایگزیده از نظر انرژی توسط لبه ی تحرک از هم جدا می شوند. فرآیند جایگزیدگی ناشی از بی نظمی، جایگزیدگی “آندرسون” نامیده میشود و به طبیعت کوانتوم مکانیک حالت های الکترون بستگی دارد]10[.
اگر کلیه جامدهای واقعی بی نظم باشند در نگاه اول به نظر می رسد که باید تآثیر حالتهای الکترونی جایگزیده تماماً در نظر گرفته شود. به طور کلی این فرضیه صادق است اما واضح است که نظریه ی جامدهای بلورین کاملاً در توصیف خواص کپه ای اغلب جامداتی که اتم های آنها بر روی یک شبکه ی تناوبی قرار گرفته است، بسیار موفق بوده است. در واقع، برخی خواص همچون رسانندگی الکتریکی را می توان در قالب بعضی جزئیات بدون رجوع به یک شبکه تناوبی که برای محاسبه حالت های کوانتومی لازم است، شرح داده شود. گاز فرمی الکترون آزاد بارزترین مثال به شمار می رود. بنابراین بهتر است بحثمان را به بی نظمی خلاصه کنیم و تنها آن مواردی را در نظر بگیریم که خود بی نظمی در تعیین خواص فیزیکی کپه ای حائز اهمیت است، همچون خواص گرمایی، ارتعاشی، نوری یا الکتریکی. در نیمرساناهای آمورف این مسئله همواره مطرح است [9].
حال به معرفی مختصر انواع بی نظمی می پردازیم که در یک دسته بندی عمومی عبارتند از:
الف) بی نظمی همگن، ب) بی نظمی ناهمگن. بی نظمی همگن هنگامی رخ می دهد که تمام منطقه های با تعداد زیاد اتم یا مولکول دارای میانگین یکسان خواص کپه ای از جمله چگالی، سرعت صوت، گرمای ویژه، رسانندگی گرمایی یا الکتریکی و … باشند. ساده ترین مثال بی نظمی همگن، بی نظمی است که در یک شبکه تناوبی ایجاد می شود. این دسته از بی نظمی ذاتاً دارای نظم هندسی هستند، چرا که می توان یک مکان های شبکه ای را با استفاده از بردارهای انتقال مناسب و خوش تعریف مشخص ساخت. یعنی بی نظمی در نوع اتم یا مولکولی که در یک مکان خاص موجود است، ایجاد می شود. اتم ها و مولکول ها بر روی یک شبکه منظم قرار می گیرند، اما در نوع اتم واقع در هر مکان شبکه ای قطعیتی وجود ندارد. بی نظمی همگن بر روی یک شبکه تناوبی گاهی بی نظمی جایگزینی یا بی نظمی سلولی نیز نامیده می شود. هالیدهای قلیایی – نیمرساناهای III-Vو … مثال هایی از بی نظمی همگن اند.
گروه دیگری از بی نظمی همگن، بی نظمی است که جامد دارای نظم تناوبی بلندبرد نمی باشد. این جامدات که جامدات آمورف گروه اصلی آن ها را تشکیل می دهد دارای بی نظمی هندسی ذاتی هستند، اما بر روی یک مقیاس ماکروسکوپی همگن باقی می مانند. اگرچه نظم بلندبرد تناوبی نیست، اما تمامی جامدات در این گروه دارای ترتیب اتمی محلی می باشند که تا حدی منظم است (نظم کوتاه برد). برای چنین جامدهایی نظم در ترتیب محلی اتم ها با فاصله گرفتن از یک مکان شبکه ای به سرعت محو می شود.