چکیده:

در کار حاضر، شیشه های V2O5 -TeO2-Sb  به روش سرمایش سریع تهیه شدند و اثر میدان الکتریکی قوی بر رسانش الکتریکی توده آمورف این  نمونه ها با درصدهای مولی مختلف مولفه های تشکیل دهنده آنها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دهنده آن است که در میدانهای ضعیف، رسانش اهمی بوده در حالیکه در میدانهای الکتریکی قوی، نمونه ها رفتار غیر اهمی را در رسانش الکتریکی از خود نشان دادند. همچنین منحنی های مشخصه ولتاژ- جریان، افزایش انحراف از قانون اهم را همراه با افزایش چگالی جریان الکتریکی نشان می دهد. این رفتار غیر اهمی در میدانهای الکتریکی حدود (V/cm) 104 اتفاق می افتد. همچنین، با توجه به اثر گرمای ژول در فیلمان جریان الکتریکی، مدل الکتروگرمایی برای این نمونه ها در نظر گرفته شده و فاکتور اتلاف گرما در نمونه و انرژی فعالسازی الکتریکی بدست آمده­اند.

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                               صفحه

فصل اول : معرفی جامدات و نیمرساناهای آمورف، ….

1-1) مقدمه. 2

1-2) کلیات و تعاریف در مورد جامدات آمورف (بی شکل) 3

1-3) تعریف بی نظمی و انواع آن. 5

1-4) نیمرساناهای بی شکل (آمورف) 11

1-4-1) مقدمه. 11

1-4-2) انواع نیمرساناهای بی شکل.. 11

1-4-3) شیشه ها 12

1-5) نظریه الکترونی سیستم های بی نظم. 15

1-5-1) مقدمه. 15

1-5-2) ساختار نواری انرژی.. 17

1-5-2-1) حالت های جایگزیده و جایگزیدگی آندرسون. 17

1-5-2-2) معرفی مدل های متداول ساختار نواری برای مواد بی شکل.. 22

1-5-2-2-1) مدل کوهن- فریتشه- اوشینسکی.. 23

1-5-2-2-2) مدل دیویس- مات… 24

1-6) مدل رسانشی پلارون کوچک در نیمرساناهای آمورف… 24

1-7) معرفی برخی روش های فیزیکی و شیمیایی تهیه مواد بی شکل.. 25

1-8) مروری بر برخی کاربردهای مواد آمورف در حوزه های مختلف علوم. 26

1-8-1) کاربردهای الکترونیکی.. 26

1-8-2) کاربردهای الکتروشیمیایی.. 28

1-8-3) کاربردهای نوری.. 28

فصل دوم : بررسی مصداقی مدل الکتروگرمایی در پدیده کلیدزنی

2-1 ) مقدمه. 33

2-2) پدیده های میدان قوی.. 34

2-3) سرعت رانشی حامل ها در میدان های الكتریكی قوی.. 35

2-4) اثرات حجمی میدان قوی.. 36

2-5) رسانش در میدان قوی و اثر میدان قوی در رسانش پلارونی شیشه ‏های حاوی یون های فلزات واسطه. 39

2-6) رسانش غیراهمی.. 41

2-7) اثر پول فرنكل.. 41

2-7-1) تزریق بار در اتصالات… 48

2-7-1-1) اتصال خنثی.. 48

2-7-1-2) اتصال اهمی.. 48

2-7-1-3) اتصال غیر اهمی.. 49

2-7-2 ) اثر شاتكی.. 49

2-8) تفاوت اثرات پول – فرنکل و ریچاردسون – شاتکی.. 51

2-9) معرفی پدیده کلیدزنی.. 52

2-10) مقاومت دیفرانسیلی منفی.. 54

2-11) شكست‏ دی‏الكتریک ‏و فرایند ‏تشكیل.. 55

2-12) رسانش- كلید زنی و پدیده های حافظه ‏ای (شبه پایدار) 55

2-13) كلیدزنی حافظه ‏ای و آستانه ای.. 58

2-14) مکانیسم کلیدزنی.. 60

2-14-1) نظریه الکتروگرمایی.. 62

2-13-2) نظریه ی گرمایی.. 64

2-14-3)  نظریه ی الكترونیكی.. 68

2-15) مکانیزم کلیدزنی در شیشه های چلکوجنی.. 71

2-16) مقایسه ی كلیدزنی در مواد بلوری و آمورف… 71

2-16-1) دلایل رخ دادن پدیده کلیدزنی در مواد آمورف… 72

فصل سوم : روش آزمایشگاهی، آنالیز نمونه ها و برنامه نویسی کامپیوتری

3-1) مقدمه. 74

3-2) فرایند آزمایشگاهی.. 74

3-2-1) مقدمه. 74

3-2-2) مشخصات پودرهای اولیه و روش تهیه نمونه های مورد نظر. 75

 

3-3) مشخصه یابی نمونه ها 78

3-3-1) تحلیل طرح پراش پرتو X. 78

3-3-2) اندازه گیری چگالی نمونه ها 78

3-3-3) اندازه گیری های الکتریکی نمونه ها در میدان الکتریکی قوی.. 78

3-4) حل عددی و برنامه نویسی.. 81

فصل چهارم : بحث و نتیجه گیری

4-1) مقدمه. 83

4-2) بررسی الگوی پراش نمونه با بهره گرفتن از پرتو X و تصاویر SEM… 84

4-3)  بررسی پدیده کلیدزنی در نمونه های توده ای.. 88

4-3-1) بررسی منحنی های جریان- ولتاژ در فواصل الکترودی مختلف و همچنین بررسی منحنی های توان الکتریکی مؤثر بر حسب   88

منابع و مراجع

فهرست جداول

عنوان                                                                                                               صفحه

جدول 1-1) 30

جدول 3-1) 76

جدول 3-2) 76

جدول (4-1) 108

جدول (4-2) 126

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                               صفحه

شکل 1-1) 4

شکل 1-2) 10

14

شکل 1-4) 19

شکل 1-5) 20

شكل1-6) 21

شكل1-7) 21

شکل1- 8) 23

شكل2-1) 37

شکل2-2) 39

شكل 2-3) 42

شکل 2-4) 45

شکل (2-5) 47

شکل2-6) 49

شکل2-7) 51

شکل2-8) 54

شكل2-9) 56

شکل 2-10) 59

شکل 2-11) 63

شکل 2-12) 64

شکل 2-13) 66

شکل 2-14) 68

شکل2-15) 70

شکل 3-1) 79

شکل 3-3) 80

شکل 4-1) 87

شكل 4-2) 87

شکل 4-3) 91

شکل 4-4) 92

شکل 4-5) 93

شکل 4-6) 94

شکل 4-7) 95

شکل 4-9) 97

شکل 4-10) 98

شکل 4-11) 99

شکل 4-12) 100

شکل 4-13) 101

شکل 4-14) 102

شکل 4-15) 103

شکل 4-16) 104

شکل 4-17) 105

شکل 4-18) 106

شکل 4-19) 110

شکل 4-20) 111

شکل 4-21) 112

شکل 4-22) 113

شکل 4-23) 114

شکل 4-24) 115

شکل 4-25) 116

شکل 4-26) 117

شکل 4-27) 118

شکل 4-28) 119

شکل 4-29) 120

شکل 4-30) 121

شکل 4-31) 122

شکل 4-32) 123

شکل 4-33) 124

شکل (4-34) 127

شکل (4-35) 128

شکل (4-36) 129

شکل (4-37) 130

شکل (4-38) 131

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 شیشه ­ای 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 ای[1]و لایه های نازک[2] 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[3] 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[4] 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 تكرار می شوند، اما برای فلزات آمورف ساختار اتفاقی است . گرما دادن به فلز آمورف باعث ایجاد ساختار كریستالی 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 استحكامی سه برابر فولاد، با وزن یكسان دارند. فولادهای آمورف می توانند به عنوان یک ماده با وزن كم با پلاستیک ها و كامپوزیت ها در زمینه های حمل و نقل و الكتریسته رقابت كنند. مشكل این مواد (فلزات آمورف) ترد بودن آنها می باشد آنها در صورت اعمال شوک مانند شیشه       می­شكنند ]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[5]، اتم بین شبکه ای، دررفتگی، بلورهای ناکامل یا واقعی هستند. با این وجود، بی نظمی[6]می 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[7] وجود ندارد که به معنی فقدان نظم کوتاه برد[8] 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.