Skip to main content
SUPERVISOR
Hadi Salamati mashhad,Mehdi Ranjbar,Parviz Kameli
هادی سلامتی مشهد (استاد مشاور) مهدی رنجبر (استاد راهنما) پرویز کاملی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali Modabberasl
علی مدبراصل

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389

TITLE

Investigation of the effect of substrate temperature and magnetic field on the properties of pulsed laser deposited diamond-like carbon thin films
In this work, the fabrication and characterization of diamond-like carbon (DLC) thin films on Si-(100) substrates using pulsed laser deposition (PLD) technique were investigated. In the first part of the work, DLC thin films were deposited at the substrate temperature ranging from room temperature (RT) to 300 °? and the effect of substrate temperature on structural, surface and mechanical properties of the samples were studied. It was found that the DLC films deposited at RT are purely amorphous in structure with high sp 3 bonding (above 70 pct) and exhibit very smooth surfaces with a surfaces roughness of 0.24 nm. Raman and XPS results clearly indicated a structural transition from amorphous to nanocrystalline graphitic nature, structural ordering of DLC films, and a decrease in the sp 3 content with increasing substrate temperature. It was found that the amount of sp 3 sites decrease from 42, to 30 and 24 pct with increasing substrate temperature from 100 to 200 and 300 °?, respectively. Meanwhile, the surface roughness of the obtained films increases from 0.24 to 1.9 nm with an increase in substrate temperature from room temperature to 300 °?. It was found that the mechanical properties such as hardness, elastic modulus, plastic index parameter, and elastic recovery decrease with increasing the substrate temperature. For example, a decrease in the hardness and elastic modulus from 32 and 308 GPa to 13 and 147 GPa is seen with increasing the deposition temperature from RT to 300 °?, respectively. The contact angle (CA) measurements indicated that the CA is 72? for sample processed at RT which increases to 74, 80 and 85? for samples processed at 100, 200 and 300 °?, respectively. Moreover, it is observed that CA and hydrophobicity of the obtained DLC films is sensitive not only to sp 2 /sp 3 ratio, but also to the ordering nature of sp 2 clusters. In the second part of the work, DLC thin films were deposited using a magnetically-assisted PLD technique (with different strengths of 220 and 350 mT at the substrate surface) and their structural, surface and mechanical properties were studied. It was observed that the diamond-like character, thickness and deposition rate of the DLC films increase in the presence of magnetic field. An increase in the thickness and sp 3 content of the obtained thin films from 165 nm and 30 pct to 335 nm and 65 pct was observed, respectively. The films deposited under application of magnetic field exhibit a denser microstructure and smoother surface with lower a surface of 0.18 nm. Nanoindentation measurements indicated that the mechanical properties improved in the presence of magnetic field. The hardness and elastic modulus increase from 13 and 152GPa to 30 and 300GPa with application of magnetic field and an increase in its strength, respectively. Also, it was observed that CA of the samples decrease from 79 to 74? under the above mentioned conditions.
در این پروژه به ساخت و مشخصه یابی لایه های نازک کربن شبه الماسی (DLC) بر روی زیرلایه ی سیلیکون تک بلور (100) با روش لیزر پالسی (PLD) پرداخته شد. در قسمت اول این پروژه، لایه های DLC در دماهای مختلف زیرلایه از دمای اتاق تا 300 درجه سانتیگراد ساخته شدند و تأثیر دمای زیرلایه بر ویژگی های ساختاری، سطحی و مکانیکی آن ها مورد مطالعه قرار گرفت. مشاهده شد که لایه های ساخته شده در دمای اتاق ساختاری کاملا آمورف با درصد بالایی(بالاتر از 70 درصد) از پیوندهای هیبریدیsp 3 و سطحی بسیار صاف و هموار با مقدار زبری nm 24/0 نسبت به لایه های ساخته شده در دماهای بالاتر دارند. نتایج طیف سنجی رامان و XPS به طور واضح نشان دادند که با افزایش دمای لایه نشانی گذار ساختاری از حالت آمورف به خوشه های نانوبلوری گرافیتی، افزایش نظم ساختاری و کاهش سایت های sp 3 رخ می دهد. مشاهده شد با افزایش دما به 100، 200و °? 300 درصد سایت هایsp 3 به ترتیب به 42، 30 و 24 کاهش می یابد. همچنین با افزایش دما به °? 300 زبری سطح به مقدار nm 9/1 افزایش می یابد. ویژگی های مکانیکی همانند سختی، مدول الاستیک، شاخص پارامتر پلاستیک و بازیابی الاستیک با افزایش دمای لایه نشانی کاهش یافتند. با افزایش دما از دمای اتاق به °?300، مقادیرسختی و مدول الاستیک به ترتیب از32 و GPa 308 به 13 و GPa 147 کاهش یافتند. اندازه گیری های زاویه ی تماس نشان داد که زاویه تماس نمونه ها با افزایش دمای لایه نشانی از دمای اتاق به 100، 200 و °? 300 از مقدار?72 به ترتیب به مقادیر74، 80 و ?85 افزایش می یابد. همچنین زاویه تماس وآب گریزی لایه های ساخته شده نه تنها به ترکیب سطح (یعنی نسبت sp 2 /sp 3 ) بلکه به شکل گیری خوشه های نانوگرافیتی و افزایش نظم ساختاری نیز وابسته است. در قسمت بعدی این پروژه، لایه های DLC با روش لایه نشانی لیزر پالسی به کمک اعمال میدان مغناطیسی (با شدت هایmT 350 وmT 220 روی سطح زیرلایه) ساخته شدند و ویژگی های ساختاری، سطحی و مکانیکی آن ها مورد مطالعه قرار گرفت. مشاهده شد که ویژگی های شبه الماسی، ضخامت و نرخ لایه نشانی در حضور میدان مغناطیسی افزایش می یابد. افزایش ضخامت لایه ها و پیوندهای sp 3 به ترتیب از مقادیر nm 165 و 30% به nm 335 و 65% با اعمال میدان مغناطیسی و افزایش شدت آن مشاهده شد. لایه های ساخته شده تحت اعمال میدان مغناطیسی، میکروساختاری چگال تر، سطحی هموارتر و زبری سطح کمتری (با زبری nm 18/0) از خود نشان دادند. اندازه گیری های نانوسختی سنجی نشان داد که ویژگی های مکانیکی با حضور میدان مغناطیسی به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابند. مقادیر سختی و مدول الاستیک به ترتیب از 2/13 و GPa 152 به 7/29 و GPa300 با اعمال میدان مغناطیسی و افزایش شدت آن افزایش یافت. همچنین مشاهده شد زاویه تماس نمونه ها با اعمال میدان مغناطیسی و افزایش شدت آن از 79 به ?74 کاهش می یابد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی