بررسی تاثیر ناهمواری بر خصوصیات تونل زنی و آماری تانتالوم کاشت شده با استفاده از یون نیتروژن

مهندسی متالورژی و مواد

دوره 35، شماره 1 - شماره پیاپی 33، فروردین 1403، صفحه 11-22   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2023.82763.1113

نویسندگان

امیر هوشنگ رمضانی^* ؛ ژاله ابراهیمی نژاد

گروه فیزیک، واحد تهران غرب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران.

چکیده

در این مقاله، اثر نوع یون بر خصوصیات ترابردی از میان ساختارهایی که فصول مشترک آنها توسط فرآیند بمباران یون بر پایه تانتالوم ایجاد گردیده، بررسی شده است. یون نیتروژن استفاده شده در فرآیند کاشت یونی با انرژی 30 کیلوالکترون ولت و در دوزهای مختلف در دمای محیط در نظر گرفته شده اند.برای مطالعه ریخت شناسی سطوح لایه های نازک بمبارانه شده یونی، از آنالیز میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) استفاده شده و مقدار متوسط ناهمواری تعیین شده است. نتایج نشان می دهد که فصول مشترکی هایی که با بمباران یون نیتروژن تولید شده اند تاثیرات بیشتری بر خصوصیات ترابردی دارند. همچنین نسبت پیک به دره کاهش می یابد. علاوه بر این، با افزایش دوز یون نیتروژن، چگالی جریان به عنوان تابعی از ولتاژ کاهش یافته است هرچند این کاهش، نتیجه مستقیمی از پراکندگی ناشی از وجود ناهمواریست اما روند این کاهش برای دوزهای مختلف از نظم خاصی پیروی نمی‌کند، نمونه شماره یک مفدار احتمال عبور بیشتری را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهند که تعیین میزان دوز در تعیین مقدار خصوصیات ترابردی از میان لایه های نازک ناهموار نقشی مهم ایفا می‌کند.

کلیدواژه‌ها

تانتالوم؛ ناهمواری سطح؛ لایه نازک؛ کاشت یونی

مراجع

[1] N. Kalyanasundaram, M.C. Moore, J.B. Freund and H.T. Johnson, ”Stress evolution due to medium‐energy ion bombardment ofsilicon,” Acta Materialia, Vol. 54, pp. 483–491, (2006).

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.09.028

[2] S.S. Patil, R.P. Fernandes, N. K. Patel, P. A. Rayjada, P. M. Raole and D. C. Kothari,”Corrosion resistance study of argon implanted and ion‐beam‐mixed 316 SS,” Surface and Coatings Technology, Vol. 196, no. 1-3,  pp. 284–287, (2005). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.08.111

[3] A. K. De, J. G. Speer, D. K. Matlock, D. C. Murdock, M. C. Mataya, R. J. Comstock, “Deformation‐induced phase transformation and strain hardening in type 304 austenitic stainless steel,” Metallurgical and Materials Transactions A,Vol. 37, pp. 1875–1886, ( 2006). https://doi.org/10.1007/s11661-006-0130-y

[4] G.S.Chen, S.T.Chen, “Diffusion barrier properties of single‐ and multilayered quasi‐amorphous tantalum nitride thin films against copper penetration,” Journal of Applied Physics,Vol. 87,no. 12,  pp. 8473 - 8482, (2000).

https://doi.org/10.1063/1.373566

[5] J.C. Chuang, M. C. Chen, ”Properties of thin Ta‐N films reactively sputtered on Cu/SiO2/Si substrates,” Thin Solid Films,Vol. 322, no. 1-2, pp. 213-217, (1998).

https://doi.org/10.1016/S0040-6090(97)00914-0

[6] M. Stavrev, D. Fischer, C. Wenzel, K. Drescher and N. Mattern,“Crystallographic and morphological characterization of reactively sputtered Ta, Ta‐N and Ta‐N‐O thin films,” Thin Solid Films, Vol. 307, no. 1-2,  pp.79–88,(1997).

https://doi.org/10.1016/S0040-6090(97)00319-2

[7] A. H. Ramezani, A. H. Sari and A. Shokouhy, “The effects of argon ion bombardment on the corrosion resistance of tantalum,” International Nano Letters,Vol. 7, pp. 51–57, (2017).

https://doi.org/10.1007/s40089-017-0201-7

[8] Y. Li, S. Wei, X. Cheng, T. Zhang and G. Cheng, “Corrosion behavior and surface characterization of tantalum implanted TiNi alloy,” Surface and Coatings Technology, Vol. 202, no. 13,  pp. 3017–3022, (2008).

https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.11.003

[9] K. Ghosh, R. K. Pandey, “Assessment of fractal and multifractal features of sol‐gel spin coated ZnO thin film surface,” Materials Research Express, Vol. 6, no. 7, (2019).

https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab25d7

[10] T. G. Bifano, H. T. Johnson, P. Bierden and R. K. Mali, “Elimination of stress‐induced curvature in thin‐film structures,” Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 11, no. 5, pp. 592–597, (2002).

https://doi.org/10.1109/JMEMS.2002.802908

[11] Zh. Ebrahiminejad, S. F. Masoudi, G. R. Jafari and R. S. Dariani,” Effects of self‐affine roughness characteristics on electron transmission through tunneling structures,” Thin Solid Films, Vol. 522, pp. 233–237, ( 2012).

https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.08.042

[12] D. Raoufi, F. Hosseinpanahi, ” The effect of film thickness on surface morphology of ITO thin films,” Journal of Theoretical and Applied Physics, Vol. 7, no.1, pp. 21, ( 2013).

https://doi.org/10.1186/2251-7235-7-21

[13] A. H. Ramezani, S. Hoseinzadeh and Zh. Ebrahiminejad, “Statistical and fractal analysis of nitrogen ion implanted tantalum thin films,” Applied Physics A, Vol. 126, pp. 481, (2020).

https://doi.org/10.1007/s00339-020-03671-7

[14]A. H. Ramezani, S. Hoseinzadeh and Zh. Ebrahiminejad, ”Structural and mechanical properties of tantalum thin films ected by nitrogen ion implantation,” Modern Physics Letters B, Vol. 34, no. 15, pp. 2050163, (2020).

https://doi.org/10.1142/S0217984920501638

[15] Z.W. Kowalski, J. Wilk and J. Martan,”Surface morphology of steel and titanium induced by ion beam bombardment - Comprehensive analysis,” Vacuum, Vol. 83, pp. 208–213, (2009).

https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2009.01.065

[16] A. H. Ramezani, A. H. Sari and A. Shokouhy,” The effects of argon ion bombardment on the corrosion resistance of tantalum, “ International Nano Letters, Vol. 7, pp. 51-57, (2017).

 https://doi.org/10.1007/s40089-017-0201-7

[17] A.H. Ramezani, S. Hoseinzadeh, Z. Ebrahiminejad.,” Structural and mechanical properties of tantalum thin films ected by nitrogen ion implantation “Modern Physics Letters B “Vol.34, no. 15, p.2050163 ,( 2020).

https://doi.org/10.1142/S0217984920501638

[18] S. Hoseinzadeh, A. H. Ramezani,” Corrosion Performance of Ta/Ni Ions Implanted with WO_3/FTO,” Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers, Vol. 39, no. 5, pp. 501-507, (2018).

https://www.airitilibrary.com/Article/Detail/02579731-201810-201812100006-201812100006-501-507

[19] A. H. Ramezani, M. R. Hantehzadeh, M. Ghoranneviss and E. Darabi, ”Structural modification of tantalum crystal induced by nitrogen ion implantation,” Bulletin of Materials Science, Vol. 39, pp. 633-640, (2016).

https://doi.org/10.1007/s12034-016-1212-0

[20] A. H. Ramezani, S. Hoseinzadeh and A. H. Sari,” Experimental Investigation of Corrosion Improvement Implanted Ta by Ar–Ni Ions,” Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, Vol. 14, no. 3, pp. 425-430, (2019).

https://doi.org/10.1166/jno.2019.2527

[21] A. H. Ramezani, M. R. Hantehezadeh, M. Ghoranneviss and E. Darabi,”Corrosion resistance behavior of nitrogen ion-implanted in tantalum,” Applied Physics A, Vol. 122, pp. 179, (2016).

https://doi.org/10.1007/s00339-016-9712-8

[22] A. H. Ramezani, S. Hoseinzadeh, Z. Ebrahiminejad and M. R. Hantehzadeh, “ The study of mechanical and statistical properties of nitrogen ion-implanted Tantalum bulk,” Optik, Vol. 225, pp. 165628, (2021).

https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165628

[23]A. H. Ramezani, S. Hoseinzadeh and Z. Ebrahiminejad, ”Statistical and fractal analysis of nitrogen ion implanted tantalum thin films,” Applied Physics A, Vol.126,pp. 1-6 ,( 2020).

https:// doi.org/10.1007/s00339-020-03671-7

[24] A. H. Ramezani, S. Hoseinzadeh, Zh. Ebrahiminejad and M .Sangashekan,” Microstructural and energy-dispersive X-ray analyses on argon ion implantations in tantalum thin films for microelectronic substrates,” Electronics,Vol. 10, no. 23, pp. 2941, (2021).

https://doi.org/10.3390/electronics10232941

[25] A. H. Ramezani, M. R. Hantehzadeh, M. Ghoranneviss and E. Darabi,” Microstructure and corrosion resistance of tantalum after nitrogen ion implantation, “ Corrosion Engineering, Science and Technology,Vol. 51, no. 6, pp. 393-399 , (2016).

https://doi.org/10.1080/1478422X.2015.1124503

[26] A. H. Ramezani, M. Ghoranneviss, A. Shokouhy and A. H.Sari,” Corrosion resistance modification of AISI 304 stainless steel using argon ion bombardment,” Journal of fusion energy, Vol. 30, pp. 64-67, (2011).

https://doi.org/10.1007/s10894-010-9345-4

[27] A. H. Ramezani, M. R. Hantehzadeh, M. Ghoranneviss and E. Darabi, ”Mechanical and electrochemical properties of tantalum implanted by nitrogen ions,” High Temperature Material Processes, An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes,Vol. 18, no. 1-2, pp. 143-153, (2014).

https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2015015478

[28] S. Hoseinzadeh, A. H. Ramezani,” Tantalum/Nitrogen and n-type WO3 semiconductor/FTO structures as a cathode for the future of Nano devices,” Journal of Nanostructures,Vol. 9, no. 2, pp. 276-286, (2019).

https://doi.org/10.22052/JNS.2019.02.010