ของฟิล์มที่สังเคราะห์ for...

Effect of Gas Ratio Between Methane and Hydrogen on Hydrogen Content in Hydrogenated Amorphous Carbons (a-C:H)

ผลของอตราสวนผสมระหวางกาซมเทนกบกาซไฮโดรเจนตอปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลมไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอน

Effectofgas ratio betweenmethaneandhydrogenon hydrogen content in hydrogenatedamorphouscarbons (a-C:H)

นฤทธ ฝายบตร* และ ง

ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน

บทคดยอ

งานวจยนไดท าการเตรยมฟลมบางไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอนลงบนกระจกสไลด โดยใชระบบตกสะสมไอเชงเคมกระตนใหเกดพลาสมาดวยคลนวทยบนแผนคควบความจไฟฟาใชกาซตงตนมเทน และกาซไฮโดรเจนในอตราสวนทตางกน จากนนน าฟลมไปวดพสจนเอกลกษณโดยใช รามานสเปกโทรสโกป โดยใชแสงเลเซอรความยาวคลน 514.5 nm พบต า ยอดคลน D ทต าแหนง 1357 ±17 cm-1 และต าแหนงยอดคลน G ทต าแหนง 1545 ±8 cm-1 คาอตราสวน ID/IG มคาต าสดท 0.59-0.68 จากฟลมเงอนไข CH4/H2=18.9/31.1 โดยมคา FWHM สงสดอยระหวาง

140-148 cm-1 ซงบงชสมบตทคลายเพชรมากทสด ปรมาณธาตไฮโดรเจนหาจากวธการเทยบคาการวาวแสงจากสเปกตรมรามาน สมบต เช งแสงจากเครอง UV-visible spectroscopy ของฟลมทสงเคราะห ระหวาง 1.19-1.45 eV และท าใหทราบไดวาฟลมไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอนทสงเคราะหดวยเงอนไขอตราสวนกาซมเทนตอกาซไฮโดรเจนประมาณ 2/3 ไมใชฟลมทมสมบตคลายพอลเมอร

ค าส าคญ: รามานสเปกตรม, อตราสวน ID/IG, ไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอน, อตราสวนผสมกาซมเทนตอไฮโดรเจน Abstract

Hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) thin films were prepared on glass slide substrates by capacitively coupled radio-frequency Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) system using methane with various hydrogen mixes as source gases. The films were then analyzed by Laser Raman Spectroscopy (LRS) at excitation wavelength of 514.5 nm and it was found from the spectra that the D peaks were situated at around 1357 ±17 cm-1 and G peaks were around 1545 ±8 cm-1. The spectrum corresponding low intensity ratio (ID/IG) of 0.59-0.68 was obtained from * ผประสานงาน (Corresponding Author) e-mail: [email protected]

ผลของอตราสวนผสมระหวางกาซมเทนกบกาซไฮโดรเจนตอปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลมไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอน

Effectofgas ratio betweenmethaneandhydrogenon hydrogen content in hydrogenatedamorphouscarbons (a-C:H)

นฤทธ ฝายบตร* และ ง

ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน

บทคดยอ

งานวจยนไดท าการเตรยมฟลมบางไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอนลงบนกระจกสไลด โดยใชระบบตกสะสมไอเชงเคมกระตนใหเกดพลาสมาดวยคลนวทยบนแผนคควบความจไฟฟาใชกาซตงตนมเทน และกาซไฮโดรเจนในอตราสวนทตางกน จากนนน าฟลมไปวดพสจนเอกลกษณโดยใช รามานสเปกโทรสโกป โดยใชแสงเลเซอรความยาวคลน 514.5 nm พบต า ยอดคลน D ทต าแหนง 1357 ±17 cm-1 และต าแหนงยอดคลน G ทต าแหนง 1545 ±8 cm-1 คาอตราสวน ID/IG มคาต าสดท 0.59-0.68 จากฟลมเงอนไข CH4/H2=18.9/31.1 โดยมคา FWHM สงสดอยระหวาง

140-148 cm-1 ซงบงชสมบตทคลายเพชรมากทสด ปรมาณธาตไฮโดรเจนหาจากวธการเทยบคาการวาวแสงจากสเปกตรมรามาน สมบต เช งแสงจากเครอง UV-visible spectroscopy ของฟลมทสงเคราะห ระหวาง 1.19-1.45 eV และท าใหทราบไดวาฟลมไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอนทสงเคราะหดวยเงอนไขอตราสวนกาซมเทนตอกาซไฮโดรเจนประมาณ 2/3 ไมใชฟลมทมสมบตคลายพอลเมอร

ค าส าคญ: รามานสเปกตรม, อตราสวน ID/IG, ไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอน, อตราสวนผสมกาซมเทนตอไฮโดรเจน Abstract

Hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) thin films were prepared on glass slide substrates by capacitively coupled radio-frequency Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) system using methane with various hydrogen mixes as source gases. The films were then analyzed by Laser Raman Spectroscopy (LRS) at excitation wavelength of 514.5 nm and it was found from the spectra that the D peaks were situated at around 1357 ±17 cm-1 and G peaks were around 1545 ±8 cm-1. The spectrum corresponding low intensity ratio (ID/IG) of 0.59-0.68 was obtained from * ผประสานงาน (Corresponding Author) e-mail: [email protected]

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

54

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

53

The widest Full Width at Half Maximum (FWHM) of 140-148 cm-1 showed the highest diamond-like property of the film was also received. Hydrogen contents were calculated empirically using photoluminescence of the Raman spectrum background which indicated 24.5-33.8% of hydrogen contained in prepared films. UV-visible spectroscopy revealed the energy gaps of the prepared films were 1.19-1.45 eV. It is clear that the prepared film with CH4/H2 ≈ 2/3 condition is absolutely not a polymer-like hydrogenated amorphous carbon film.

Keywords: Raman spectra, ID/IG, hydrogenated amorphous carbon, CH4/H2 บทน า

ฟลมบางคารบอนคลายเพชร (Diamond-Like Carbon, DLC) หรอฟลมไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอน (hydrogenated amorphous carbon, a-C:H) หากสามารถน าไปใชงานไดอยางจรงจงจะมคณประโยชนหลากหลายมาก เนองจากมสมบตทโดดเดนหลายประการ เชน มความแขงใกลเคยงกบเพชร (Yu et al., 2007) ทนตอการกดกรอนและการเกดปฏกรยาเคม ไมเปนพษตอเซลลสงมชวต (Lousinian et al., 2007) สมประสทธความเสยดทานต ามาก (Martini et al., 2011) เปนตน นอกจากสมบตเชงกลบางประการทกลาวถงแลวฟลมคารบอนคลายเพชรยงมสมบตทเหมาะตอการน าไปประยกตใชในทางอเลกทรอนกส (electronics) คอสมบตความเปนสารกงตวน าทสามารถปรบคาชองวางพลงงานได (Kassavetis, Laskarakis, & Logothetidis, 2011) แตความโดดเดนและการประยกตใชงานจรงยงไมกวางขวางเทากบสมบตเชงกลซงถาเปนสมบตเชงกลแลวฟลมคารบอนคลายเพชรนบวาเปนตวเลอกระดบตนๆ ในบรรดาฟลมเคลอบผวทงหลาย ชวงปลายศตวรรษท 19 ในตางประเทศมหลายบรษททน าไปเคลอบบนชนสวนเครองมอ เชน Balzers, Teer Coatings

Limited, Bernex และ Tetrabond เปนตน (Silva, & Ravi, 2003) แมจะมปญหาเรองการยดเกาะของฟลมอนเนองมาจากความเคนตกคาง แตปจจบนสามารถแกปญหาได ตวอยางการน าฟลมคารบอนคลายเพชรไปประยกตใชในทางอเลกทรอนกส เชน ท าเปนชนขวเคานเตอร (counter electrode) เซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสงแทนการใชแพลททนม (platinum) (Wang et al.,

2011) ทมราคาสง แมประสทธภาพจะไมสงมากนกเมอเทยบกบเซลลแสงอาทตยชนดซลกอน (silicon) แตมตนทนการผลตทต ากวาและเหมาะกบประเทศก าลงพฒนา ในการทจะเปลยนแปลงสมบตของฟลมไปยงเปาหมาย สามารถเลอกปจจยในการสงเคราะหใหเหมาะสมซงมอยหลายปจจยทเกยวของ ไมวาจะเปนการใชชนดของกาซผสม อตราสวนการผสมของกาซ คาความดนในการทดลอง คาการไบแอสเปนลบ (negative bias) คาอณหภมวสดฐานรอง ทกปจจยลวนสงผลตอสมบตของฟลมทงสน (Smietana et al., 2008) ในการทจะเรมตนก าหนดเงอนไขทเหมาะตอการเคลอบไมวาจะเคลอบบนวสดใดกตาม ประการแรกคอฟลมจะตองมสมบตทเปนฟลมคารบอนคลายเพชรเสยกอน เพราะฟลมมโอกาสเปนไปไดทงคลายเพชรและคลายพอลเมอร (polymer)

(Casiraghi et al., 2005) มงานวจยทศกษาผลของสดสวนผสมกาซไฮโดรเจนตอสมบตของฟลม a-

C:H พบวาโครงสรางแบบ sp3 ระหวางคารบอนมคาเพมขนพรอมทงปรมาณธาตไฮโดรเจนลดลง


55

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

54

ตามอตราสวนทเพมขนของกาซไฮโดรเจนทผสมเขาไป (Deng et al., 2011) นอกจากนพบวาปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลมยงขนกบขนาดการไบแอสเปนลบของวสดฐานรองดวย (Buijnsters et al., 2010) จากนนจงเขาสกระบวนการ พฒนาใหเปนฟลมทน าไฟฟา คอมการเจอดวยธาตไนโตรเจน (nitrogen) เปนตน ดงนนในงานวจยนจงเรมจากการเลอกอตราสวนผสมและชนดของกาซสารตงตน ซงเลอกเปนกาซมเทนและกาซไฮโดรเจนเนองจากธาตไฮโดรเจนทแตกตวในพลาสมา (plasma) จะชวยเพมอนมล ≡CH, =CH2 และลด –CH3 (Yoon et al., 2000) ในพลาสมาอนชวยลดปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลมและเปนปจจยทยงมการศกษาวจยนอยเกยวกบอตราสวนทเหมาะสม ส าหรบในเมองไทยฟลมประเภทนมการน ามาใชประโยชนยงไมแพรหลาย โดยเฉพาะดานพลงงานและงานวจยนจะเปนขนแรกในการท าใหฟลมคารบอนคลายเพชรเปนฟลมทน าไฟฟาและสามารถน ามาใชในเชงอตสาหกรรม โดยเฉพาะอตสาหกรรมเซลลแสงอาทตย ซงนบเปนอกหนงทางเลอกในการใชพลงงานทดแทนเพอทดแทนการใชน ามนเชอเพลงทเรมจะลดนอยลงไปทกขณะ

วตถประสงค

หาเงอนไขในการเคลอบฟลมไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอนทท าใหไมเปนฟลม พอลเมอร

อปกรณและวธการทดลอง

1. วสดอปกรณ 1.1 ระบบตกสะสมไอเชงเคมแบบพลาสมาแผนคควบความจไฟฟา 1.2 กระจกสไลด ขนาด 1 x 3 ตารางนว 1.3 กาซมเทน (methane) ความบรสทธ 99.999% 1.4 กาซไฮโดรเจน (hydrogen) ความบรสทธ 99.999% 1.5 อะซโตน (acetone) 1.6 เมทานอล (methanol) 1.7 น ากลนขจดไอออน 1.8 เครองท าความสะอาดระบบอลตราโซนค (ultrasonic cleaner) 1.9 ถงมอ 1.10 หนากากผา 1.11 ไดรเปาผม


56

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

55

2. ขนตอนการทดลอง 2.1 ขนตอนสงเคราะหฟลม

2.1.1 ลางกระจกสไลดใหสะอาดดวยขนตอนมาตรฐานโดยใชอะซโตน เมทานอลและน ากลนขจดไอออนดวยเครองท าความสะอาดระบบอลตราโซนค อยางละ 20 นาท ท าใหแหงดวยไดรเปาผม

2.1.2 น ากระจกสไลดดงกลาวไปตดตงภายในภาชนะสญญากาศ ทต าแหนงขวเพาเวอร (power electrode) จากนนปดภาชนะสญญากาศ

2.1.3 ดดอากาศออกโดยใชปมเชงกลและปมเทอรโบโมเลกลจนมความดน 1.5x10-6

Torr 2.1.4 ท าการสงเคราะหฟลมไฮโดรจเนทเตด อะมอรฟสคารบอน (hydrogenated

amorphous carbon) โดยท าการปลอยกาซมเทนและกาซไฮโดรเจนเขาไปในภาชนะสญญากาศ โดยทแตละครงทท าการสงเคราะหจะใชอตราสวนทแตกตางกนไปดงปรากฎในตารางท 1 จากนนจายสญญาณไฟฟาความถ 13.56 MHz ระยะหางระหวางขวเปน 2.0 เซนตเมตร และเคลอบเปนเวลานาน 30 นาท

ตารางท 1 อตราสวนผสมกาซมเทนและไฮโดรเจนทใชในการทดลอง

ชอ *CH4 *H2 Power

(W) DC-bias

(-V) Operatingpressure

(mTorr) aCH-1a 3.3 47.6 40 350 434 aCH-5a 6.9 43.1 40 350 469 aCH-11e 13.2 36.8 42 350 557 aCH-2a 18.9 31.1 45 350 596 aCH-3a 29.4 20.6 50 350 622

* มาตรฐาน (standard cubic centimeters per minute, sccm)

2.2 ขนตอนวเคราะหสมบตฟลม 2.2.1 ตรวจสอบโครงสรางของฟลมโดยใชเครองรามานสเปกโทรสโกป (Raman

spectroscopy) ยหอ Jobin Yvon รน T64000 ใชแสงเลเซอร (laser) ก าลงต า 5 mW ความยาวคลน 514.5 nm จากเลเซอรชนดอารกอนไอออน (Ar- ion laser) มขนาดล าเลเซอร 1 µm โดยท าการเกบขอมล 3 จดตอชนงาน จากนนท าการวเคราะหสเปกตรมดวยโปรแกรม Labspec เวอรชน 4.0 เลอกการฟตยอดคลน (peak fitting) เปนแบบเกาสเซยน (Gaussian) ทง D-band ะ G-band

2.2.2 วดสมบตทางแสงจากเครอง UV-visible spectroscopy รน UV-1800 Shimadzu ชวงความยาวคลน 300- 1100 nm


57

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

56

ผลการทดลองและวจารณผลการทดลอง จากการทดลองเมอน าฟลมทสงเคราะหขนมาทงหมด 5 เงอนไขไปวดสมบตเพอพสจน

เอกลกษณดวยรามานสเปกโทรสโกป โดยถอวาชนงานไมถกท าลายโดยเลเซอร เนองจากใชก าลงเลเซอรต ามาก ไดสเปกตรมของฟลมทกเงอนไขทยงไมไดตดเบสไลน (baseline) ดงภาพท 1 และขอมลต าแหนง D-band และ G-band คา FWHM คาอตราสวน ID/IG แสดงดงตารางท 2

ภาพท 1 สเปกตรมรามานของฟลม a-C:H

ตารางท 2 ต าแหนง D-band และ G-band คา FWHM คาอตราสวน ID/IG ของฟลม a-C:H

ชอ CH4 (%)

H2 (%)

Dpeak (cm-1)

Gpeak (cm-1)

ID/IG FWHMofG (cm-1) คาจรง เฉลย

aCH-1a

6.6

93.4

1374.9 1371.6 1374.5

1552.9 1552.5 1551.9

1.20 1.27 1.32

1.28 124 123 119

aCH-5a

13.8

86.2

1371.8 1366.2 1366.2

1548.3 1547.6 1546.8

1.12 1.21 1.11

1.15 126 126 126

aCH-11e

26.4

73.6

1362.0 1362.2 1360.2

1541.5 1541.9 1541.3

0.83 0.87 0.87

0.86 139 138 140

aCH-2a

37.8

62.2

1339.5 1349.9 1344.1

1538.0 1538.7 1539.3

0.59 0.79 0.68

0.69 148 140 147

aCH-3a

58.8

41.2

1356.9 1357.2 1348.9

1539.5 1540.3 1539.3

0.79 0.73 0.76

0.76 139 142 141


58

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

57

เมอพจารณาสเปกตรมรามานทไดจากการทดลอง พบวามยอดคลนของต าแหนง D-band และ G-band ซงยนยนลกษณะของฟลมคารบอนคลายเพชรปรากฎทเลขคลนโดยประมาณ 1357 ±17 cm-1 และ 1545 ±8 cm-1 ตามล าดบและคา FWHM ของ G- band มคาระหวาง 119 – 148

cm-1 คาอตราสวน ID/IG มคาระหวาง 0.59-1.32 ซงในการวเคราะหถงชนดของฟลมคารบอนคลายเพชรจากสเปกตรมรามานโดยการพจารณาคา FWHM โดยทฟลมทมคา FWHM ของ G-band

มาก บงบอกถงขนาดความเคนอนเนองมาจากโครงสรางแบบ sp3 ของคารบอนทวางลอมโครงสรางแบบ sp2 อย (Cui et al. 2010) คาอตราสวน ID/IG สามารถบงบอกถงสดสวนโครงสราง sp3 ได คอถามคานอยแสดงวาสดสวนโครงสราง sp3 จะมคามาก เชนเดยวกบฟลมประเภทเตตระฮดรอล อะมอรฟสคารบอน (tetrahedral amorphous carbon, ta-C) (Liang et al., 2012) ทงนเนองจาก D-band เกดจากการสนทเปนการสนแบบหดขยายของวงอะโรมาตค (aromatic) ซงเปนโครงสรางแบบ sp2 ทมลกษณะเปนวง สวน G-band นนเกดจากการสนทเปนการสนของคคารบอนโครงสรางแบบ sp2 ทถกลอมรอบดวยโครงสราง sp3 โดยปกตแลวถาเปนแกรไฟตแบบไพโรไลตค (pyrolytic)

สเปกตรมรามานจะปรากฏต าแหนง 1580 cm-1 เทานนไมเปนแถบและไมม D-band นอกเสยจากมการแตกออกเปนเกรน (grain) แยกกนเชนกรณถกฉายดวยไอออนพลงงานสง หรอในกรณผลกพหแกรไฟตจะเรมปรากฏต าแหนง D-band (Asari, 2000) ดงนนถา D-band มพนทใตยอดคลนนอยแสดงวาโครงสราง sp2 แบบวงอะโรมาตคมนอย ยอดคลนมความเขมนอยเมอจ านวนวงอะโรมาตคในแตละคลสเตอร (cluster) ลดลง (Ferrari & Robertson, 2000) ดวยเหตนจงท าใหสามารถหาสดสวนโครงสราง sp3 จากคาอตราสวน ID/IG ได

จากขอมลในตารางท 2 คา FWHM มคามากสดคอชนงาน aCH-2a ท 140-148 cm-1 และยงมคาอตราสวน ID/IG ต าสดท 0.69 สวนชนงาน aCH-11e และ aCH-3a มคามากกวาเลกนอย ถาพจารณาจากตวเลขซงใกลเคยงกนจะพบวาเงอนไขทท าใหไดอตราสวน ID/IG มคาต า ~0.6-0.9 คอเงอนไขกาซผสมมเทนและไฮโดรเจนมคาใกลเคยงกน ณ ทน CH4/H2 ≈ 2/3 และเมอน าคาอตราสวน ID/IG ไปเทยบกบงานวจยของ Tamor กบ Vassell ทไดน าอตราสวน ID/IG มาสรางความสมพนธกบสดสวนโครงสรางแบบ sp3 ของฟลม a-C:H ทไดจากเทคนคตางๆ เชน EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) เปนตน ดงความสมพนธในภาพท 2 (Tamor & Vassell,

1994) พบวาฟลมทมอตราสวน ID/IG ~0.6-0.9 มสดสวนโครงสราง sp3 ทประมาณ 40-50% (Robertson, 2002) แตอยางไรกตามโครงสรางแบบ sp3 ทไดจากอตราสวน ID/IG ของฟลม a-C:H

ไมไดหมายถงโครงสรางแบบ sp3 ระหวางคารบอนเทานน แตอาจจะเปน sp3- CH2 sp3-CH ซงตางจากอตราสวน ID/IG ทไดจากการวดสมบตฟลมประเภทเตตระฮดรอล อะมอรฟสคารบอน ดวยเหตนจงท าใหฟลมไมไดมความแขงมากนกแมจะมสดสวนโครงสรางแบบ sp3 สง กตาม ณ เวลานยงไมสามารถใหขอสรปไดชดเจนวาฟลมทสงเคราะหขนนนจดอยในกลมใด จ าเปนตองมการพจารณาตวแปรอนรวมดวย


59

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

58

ภาพท 2 ความสมพนธระหวางคาอตราสวน ID/IG กบโครงสรางแบบ sp3

(Tamor & Vassell, 1994) ของฟลม a-C:H

ในการทจะระบประเภทของฟลม a-C:H นอกจากปรมาณของสดสวนโครงสรางแบบ sp3 ทไดจากสเปกตรมรามานแลว ปจจยทจะน ามายนยนสมมตฐานเพอหาขอสรปคอปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลมและคาชองวางพลงงานเชงแสง (optical energy gap) ซงงานวจยนใชวธอางองจากขอมลทมอยแลวในงานวจยของหลายๆกลมทรวบรวมโดย Robertson 3

ตารางท 3 ขอมลอางองจากงานวจยอนๆ ดดแปลงจาก Robertson

(Robertson, 2002)

การวดปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลมโดยปกตแลวใชเครอง Elastic Recoil Detection

Analysis (ERDA) หรอ Nuclear Reaction Analysis (NRA) เปนตน อยางไรกตามจากการทมธาตไฮโดรเจนปะปนในฟลมนนท าใหเบสไลน (baseline) ของสเปกตรมรามานมความชนจากการวาวแสง (photoluminescence) (Ferrari, 2002) กลมของ Casiraghi ไดน าคาความชนของสเปกตรมเลเซอรรามานความยาวคลน 514.5 nm ทท าการฟตสเปกตรมดวยฟงกชนเกาสเซยนของแตละกลมวจยมานยามใหม โดยหาคาความชนของเบสไลนระหวาง 1050 -1800 cm-1 มาหารดวยคาความเขมของยอดคลน G-band ทหกลางเบสไลนแลว แปลงคาใหอยในหนวยไมโครเมตร และใหนยามคา

Form sp3(%) H(%) Density(g•cm-2) Gap(eV) Hardness(GPa)

Diamond 100 0 3.515 5.5 100 Graphite 0 0 2.267 0 - ta-C 80-88 0 3.1 2.5 80 a-C:H hard 40 30-40 1.6-2.2 1.1-1.7 10-20 a-C:H soft 60 40-50 1.2-1.6 1.7-4 <10 ta-C:H 70 30 2.4 2.0-2.5 50 Polyethylene 100 67 0.92 6 0.01


60

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

59

ดงกลาววาเปน “PL background” น ามาสรางความสมพนธกบปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลมนนๆ โดยไดน าขอมลทงสองจากหลายๆกลมวจย มาสรางความสมพนธบนกราฟเดยวกน ดงภาพท 3 ปรากฎวาพบความสมพนธเปนเชงเสนในชวงปรมาณไฮโดรเจน 20-45 % จงเขยนสมการอธบายความสมพนธดงกลาวดงสมการท (1) (Casiraghi et al., 2005) ซงนบเปนสตรอยางงายส าหรบท านายปรมาณธาตไฮโดรเจนอยางคราวๆจากสเปกตรมรามาน

][)(

log6.167.21(%) mGImH (1)

โดยท m คอความชนของเบสไลนสเปกตรมรามาน (µm) I(G) คอความเขมแสงของต าแหนงยอดคลน G-band

ภาพท 3 ความสมพนธระหวางคา PL background กบปรมาณธาตไฮโดรเจนของฟลม a-C:H (Casiraghi et al., 2005)

ดวยเหตนจงท าใหสามารถวดปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลมอยางคราวๆไดจากสเปกตรม

รามาน จากสมการท (1) พบวาชนงาน aCH-2a ฮ จ เพยง 25% เทานน และชนงานทมปรมาณ ฮ จ มากทสดมคา 33.8% ซงเปนชนงาน aCH-1a อนมสดสวนของกาซมเทนต าสดท 6.6% และนอกจากปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลมแลว ขอมลทจะพจารณาเพอแยกแยะระหวางฟลมคารบอนคลายเพชรประเภท a-C:H แขงและแบบทคลายพอลเมอร คอคาชองวางพลงงานแสง จากงานวจยโดยกลมของ Koidl พบวาฟลม a-C:H ประเภท จะ แสง ระหวาง 1.1-1.7 eV a-C:H ประเภท จะ ะ 1.7- 4 eV (Robertson, 2002) และจากขอมลการดดกลนแสงจากเครอง UV-visible spectroscopy ของฟลม ท าใหสามารถหาชองวางพลงงานแสงโดยวธของ Tauc ซงเปนวธการหาชองวางพลงงานแสงของฟลมอสญฐาน และจากการทดลองคา PL


61

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

60

background ทไดจากสเปกตรมรามานทหาคาออกมาดวยวธเดยวกนกบกลมของ Casiraghi

(Casiraghi et al., 2005) ปรมาณธาตไฮโดรเจนทไดจากสมการท (1) และคาชองวางพลงงานแสงจากวธของ Tauc สรป 4 ซงจะเปนขอมลทจะน าไปสขอสรปในการระบประเภทของฟลมและเมอน าคาชองวางพลงงานแสงมาเปรยบเทยบกบสดสวนโครงสรางแบบ sp2 ดงในภาพท 4 จะเหนวามคาประมาณ 50-60% ซงใหผลสอดคลองกบสดสวนโครงสรางแบบ sp3 ประมาณไวในตอนตนคอ 40-50%

ภาพท 4 คาชองวางพลงงานแสง กบโครงสรางแบบ sp2 (Robertson, 1996)

ตารางท 4 คาชองวางพลงงานแสง และปรมาณธาตไฮโดรเจนในฟลม a-C:H

ชอ PLbackground(µm) H (%) ETauc (eV)

aCH-1a 5.4 33.8 1.45 aCH-5a 2.3 27.8 1.33 aCH-11e 1.8 25.9 1.19 aCH-2a 1.6 25.0 1.32 aCH-3a 1.5 24.5 1.42

จากขอมลในตารางท 4 และคาสดสวน sp2 และ sp3 ท าใหพอสรปไดวาฟลมทสงเคราะหขน

นนจดอยในกลมใด

สรปผลการทดลอง

ผลการทดลองสามารถสรปไดวาฟลมทเคลอบดวยเงอนไขกาซผสมระหวางกาซมเทนกบกาซไฮโดรเจนในสดสวนทใกลเคยงกน โดยประมาณ CH4/H2 ≈ 2/3 เปนฟลมทมสดสวนโครงสรางแบบ sp3 มากทสด ท 40-50% และมปรมาณธาตไฮโดรเจนปะปนในฟลมต าประมาณ 20-30% จาก


62

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

61

ขอมลทงหมดพบวาฟลมทสงเคราะหขนดวยเงอนไขดงกลาวเปนฟลมคารบอนคลายเพชรประเภททไมคลายพอลเมอรซงเปนฟลมทสามารถเจอธาตตางๆเขาไปในโครงสรางเชน โบรอน (boron) หรอไนโตรเจนเพอพฒนาสมบตเชงไฟฟาตอไป เอกสารอางอง Asari E. (2000). An effect of the extended cascade on the Raman spectra of ion-irradiated

graphite. Carbon, 38, 1857–1861.

Buijnsters J.G., Camero M., Vázquez L., Agulló-Rueda F., Gago R., & Jiménez I.et al. (2011). Tribological study of hydrogenated amorphous carbon films with tailored microstructure and composition produced by bias-enhanced plasma chemical vapour deposition. Diamond and Related Materials, 19, 1093-1102.

Casiraghi C., Piazza F., Ferrari A.C., Grambole D., Robertson J. (2005). Bonding in hydrogenated diamond-like carbon by Raman spectroscopy. Diamond and Related Materials, 14, 1098-1102.

Cui W.G., Lai Q.B., Zhang L., & Wang F.M. (2010). Quantitative measurements of sp3 content in DLC films with Raman spectroscopy. Surface and Coatings Technology, 205, 1995-1999.

Deng X.R., Leng Y.X., Dong X., Sun H., & Huang N. (2011). Effect of hydrogen flow on the properties of hydrogenated amorphous carbon films fabricated by electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition. Surface and Coatings Technology , 206, 1007-1010.

Ferrari A.C. (2002). Determination of bonding in diamond-like carbon by Raman spectroscopy. Diamond and Related Materials, 11, 1053-1061.

Ferrari A.C., Robertson J. (2000). Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Physical Review B, 61, 14095–14107.

Kassavetis S., Laskarakis A., & Logothetidis S. (2011). Effect of ion bombardment and hydrogen pressure during deposition on the optical properties of hydrogenated amorphous carbon thin films. Diamond and Related Materials, 20, 109-114.

Liang H., Delian L., Xian C., Li Y., & Yuqing Z. (2012). The deposition of a thick tetrahedral amorphous carbon film by argon ion bombardment. Applied Surface Science, 258, 4794-4800.

Lousinian S., Logothetidis S., Laskarakis A., Gioti M. (2007). Haemocompatibility of amorphous hydrogenated carbon thin films, optical properties and adsorption mechanisms of blood plasma proteins. Biomolecular Engineering, 24, 107–112.

Martini C., Ceschini L., Casadei B., Boromei I.,& Guion J.B.(2011). Dry sliding behaviour of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) coatings on Ti-6Al-4V. Wear, 271, 2025-2036.

Robertson J. (1996). Photoluminescence mechanism in amorphous hydrogenated carbon. Diamond and Related Materials, 5, 457-460.


63

SDU Res. J. 5 (2): Jul - Dec 2012

62

Robertson J. (2002). Diamond-like amorphous carbon. Materials Science and Engineering R, 37, 129-281.

Silva S., & Ravi P. (2003). Properties of Amorphous Carbon: Institution of Engineering and Technology. Retrieved from Knovel database.

Smietana M., Szmidt J., Pawlowski K., Miller N., Elmustafa A.A. (2008). Influence of RF PACVD process parameters of diamond-like carbon films on optical properties and nano-hardness of the films. Diamond and Related Materials,17, 1655-1659.

Tamor M.A., Vassell W.C. (1994). Raman fingerprinting of amorphous carbon films. Journal of Applied Physics, 76, 3823-3830.

Wang S.F., Rao K.K., Yang T.C.K., Wang H.P. (2011). Investigation of nitrogen doped diamond like carbon films as counter electrodes in dye-sensitized solar cells. Journal of Alloys and Compounds, 509, 1969-1974.

Yoon S.F., Tan K.H., Rusli, Ahn J., & Huang Q.F. (2000). Effect of microwave power on diamond-like carbon films deposited using electron cyclotron resonance chemical vapor deposition. Diamond and Related Materials, 9, 2024-2030.

Yu X., Zhang X., Wang C., Liu F., & Fu Z. (2007). Structural, mechanical and frictional properties of tetrahedral amorphous carbon film by filtered cathodic vacuum arc system. Surface and Coatings Technology, 201, 4995-4998.

คณะผเขยน นายนฤทธ ฝายบตร

นกศกษาระดบปรญญาเอก ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน e-mail: [email protected] รองศาสตราจารย ดร.วทยา อมรกจบ ารง อาจารยประจ าภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน e-mail: [email protected]


ของฟิล์มที่สังเคราะห์ for...

Documents

Transcript of ของฟิล์มที่สังเคราะห์ for...