بررسی لایه نازک مولیبدن کربید

هدف اصلی از انجام این تحقیق رشد لایه نازک کربید مولیبدن بر روی استیل ضد زنگ 304 به روش PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) به منظور استفاده به عنوان دیواره داخلی توکامک می باشد. کربید فلزات گذار از جمله فلزات گروه 6 جدول تناوبی دارای ویژگی های منحصر به فردی از جمله سختی، بازتاب سطحی، مقاومت در برابر خوردگی، استحکام، رسانایی گرمایی و الکتریکی و پایداری حرارتی و شیمیایی و نقظه ذوب بالا می باشند که باعث شده تا کاربردهای وسیع علمی و صنعتی و... داشته باشد و مطالعات گسترده ای در این موضوع انجام شود. و نیز عدد اتمی بالای فلزات گذار و از جمله مولیبدن باعث شده است تا ناخالصی کمتری را وارد محیط پلاسما کنند. لذا به نظر میرسد تا کربید این فلزات همچون کربید تنگستن و کربید مولیبدن و... گزینه مناسبی برای پوشش دیواره اولیه راکتورهای همپوشی باشند.به منظور انجام این لایه نشانی از روش PECVD که یکی از روش های CVD (Chemical Vapor Deposition) میباشد استفاده شده است زیرا در این روش نسبت به سایر روش های CVD با توجه به حضور پلاسما در فرایند لایه نشانی، کنترل بهتری در رشد لایه مورد نظر لحاظ میشود همین امر سبب می شود تا لایه مناسب تری را برای استفاده در دیواره داخلی راکتور های همجوشی داشته باشیم. برای این منظور از دو گاز متان (CH4) و استیلن (C2H2) در ترکیب با گاز آرگون (Ar) به عنوان گازهای واکنش ( با چهار غلظت الف- CH4 10%+Ar 90%، ب- CH4 15%+Ar 85%، ج- C2H2 10%+Ar 90% و د- C2H2 15%+Ar 85% ) و ورقه مولیبدن به عنوان ماده هدف استفاده شده است، بطوریکه برای تشکیل لایه، هر نمونه به مدت 2 ساعت در معرض تابش پلاسمای سیستم قرار داشت. با توجه به اهمیت ضرورت شناخت لایه تشکیل شده آنالیز های مختلف شیمیایی، ریخت شناسی، ساختاری، مکانیکی و... به کمک آنالیز های XPS و XRD و AFM و SEM و Vickers Hardness بررسی شدند. طبق نتایج حاصل از آنالیز XPS از نمودار Binding energy برای Mo3d سه پیک در انرژی های 228.5 و 231.5 و 235.5 الکترون ولت برای دو نمونه CH4 – 15% و C2H2 – 10% مشاهده شد. در آنالیز XRD ساختارهای کریستالی متفاوتی رشد کرده اند که در این بین پیک های قالب این ساختار ها برای نمونه CH4-10% بصورت MoC (111) برای CH4-15% بصورت MoC (200) و Mo2C(100)، برای نمونه C2H2-10% به شکل MoC (111) و Mo2C (110)و نهایتا در نمونه C2H2-15% به شکل MoC(111) و Mo2C(101) می باشند. ویژگی های ریخت شناسی مثل آنالیز motifs و Histogram و statistical parameters و.... لایه نازک با استفاده از آنالیز AFM و نرم افزارهای mountain map premium و Gwyddion گرفته شد. که طبق آنچه از تصاویر دو بعدی و سه بعدی بدست آمد ضخامت لایه کربید مولیبدن هم برای CH4 و هم برای C2H2 و میزان زبری سطح با افزایش درصد گاز های کربنی واکنش دهنده افزایش یافته است. در نمودار Histogram حفره های موجود بر روی سطح نمونه های سنتز شده به تصویر کشیده شده است. طبق نتایج تصاویر حرارتی آنالیز Motifs میتوان گفت افزایش غلظت گاز CH4 موجب کاهش اندازه دانه های کربید مولیبدن شده است ولی در مورد گاز C2H2 اندازه دانه های رشد کرده افزایش یافته است. نتیجه ای که می توان از آنالیز Statistical Parameters گرفت اینست که با افزایش غلظت گاز CH4 اغتشاشات روی سطح افزایش یافته در حالیکه برای نمونه های گاز C2H2 روند معکوسی را شاهد هستیم. از داده های نمودار تابع توان میزان تاثیر پذیری سطح برای نمونه های CH4 کمتر از نمونه های C2H2 است و با افزایش غلظت گازهای کربنی و افزایش ضخامت نمونه های کربید مولیبدن رشد داده شده، این تاثیر پذیری افزایش می یابد. طبق تصاویر بدست امده از آنالیز SEM سایز متوسط دانه ها با افزایش غلظت گاز کربنی کاهش یافته ولی پوشش لایه روی سطح نمونه و به طبع ناهمواری سطحی بیشتر شده است. جواب آنالیز سختی سنجی برای نمونه CH4 – 10% سختی ویکرز HV 270 و برای نمونه C2H2 – 15% سختی ویکرز HV 679 را گزارش کرده است که نتایج حاصل از این سختی سنجی با آنچه از آنالیز XRD بدست آمده برای ساختار پایدارتر MoC(111) کاملا همخوانی دارد. بنابراین با توجه به نتایج بدست آمده از این پژوهش، لایه کربید مولیبدن می تواند گزینه مناسبی به عنوان دیواره اولیه راکتور های همجوش باشد

Keywords:

پلاسما , سیستم PECVD , لایه نازک , توکامک , دیواره اولیه