IBN AL- HAITHAM J. FOR PURE & APPL. SCI VOL.22 (2) 2009 Producing CePowders By (LICVD)Process and Using TEA-Co2 Laser S. N. Mazher , G. S. Karim Department of Physics ,Collage of Science for Women , University of Baghdad Department of Physics , Collage of Education, AL-Mustansiriyah University Abstract In this research , Aprocess ( LICVD) was used for producing silicon nitride powders with chemical compositon Si3N4 ,by using TEA-Co2 Laser to induc reaction in the gas phase, NH3 was used as on additive to SiH4. Reactant gases that were vibrationaly heated by absorbing energy emitted from TEA-Co2 Laser decomposes throug coillsion assisted multiple photon dissociation causing Si3N4 powders. By the dependence of the LICVD process on varios parameters such as Laser intensity , total gas pressure, partial pressures of SiH4 and NH3 were investigated. Dissociation rate as a function of Laser intensity and pressure was investigated. The powders obtained exhibit various colors from brown which is rich in Si to white.This explains that LICVD SiN powders do not have a fixed stoichiometry but depend on the processing parameters, such as SiH4/NH3 ratio. 2002( 2) 22مجلة ابن الهيثم للعلوم الصرفة والتطبيقية المجلد وبأستخدام ليزر (LICVD ) بطريقة Si3N4تكوين مساحيق سيراميكية TEA-Co2 غـادة صباح كرمصباح نـوري مـزهر ، جامعة بغداد ،للبنات كليةالعلومقسم الفيزياء ، الجامعة المستنصرية، كلية التربية قسم الفيزياء ، الخالصــــة ،وذلك من خالل Si3N4وبتركيب كيميائي مساحيق سيراميكية لتكوين (LICVD )طريقة تعمال أس حثتم في هذا الب وأن الغازات المتفاعلة والمسخنة باالهتزاز SiH4لغاز امضاف عامال NH3لحث التفاعل لغاز TEA-Co2أستخدام النفصال المتعدد للفوتونات والمكون ذلك بالليزر تتفكك خالل التصادم و عن طريق امتصاص الطاقة المنبعثة من ا . Si3N4لمساحيق والضغط الكلي ،حساب متغيرات مختلفة مثل شدة أشعة الليزر )كثافة الطاقة (تم (LICVD)وباالعتماد على طريقة نسبة االنفصال دالة لشدة أشعة الليزر والضغط .حسبت و . NH3و SiH4والضغوط الجزيئية لغازي وأظهرت المساحيق الناتجة الوان مختلفة تتراوح من اللون البني الذي يكون غني بالسليكون الى اللون االبيض وهذا هو التمتلك معيارية ثابتة وذلك باالعتماد على LICVDالسليكون نتريد والمحضرة بطريقة السبب الذي يفسر بان مساحيق . SiH4 / NH3متغيرات التحضير مثل نسبة ة ــالمقدم والتطبيقات السيلكون نتريد من المواد السيراميكية التي ازداد األهتمام بها في مجال التطبيقات الصناعية ديع ، (3mg/cm3-2) وكثافة واطئة (1400oCمن صالبة عالية ومقاومة للحرارة )الحرارية العالية نظرًا للمزايا التي تمتلكها . ان البحوث األولية التي اجريت ألنتاج مادة السليكون نتريد بدأت في (1) ن صفات اخرىع فضالً ومقاومة جيدة للتأكسد يذ (SiOه تطوير اغشية سيراميكية عازلة تحل محل او متممة ألغشية أوكسيد السيلكون )هبأتجا (7691عام ) .(3,2)الت متعددة في المجاالت الصناعية أستعما تأثير وفأن نوعيتها وكلفتها ذ من ثم التطبيقات الحرارية العالية و فيمهمة نتريد من المكونات الالسيلكون يعد ق التقليدية ائق تصنيع هذه المادة تؤثر في تركيب المسحوق وصفاته. ويوجد العديد من الطر ئاوطر هذه التطبيقات، فيكبير تعد من (LICVD)ي ئبالبخار الكيميا . إال إن طريقة الليزر الحاث على الترسيب(45,)المتبعة في انتاج هذا المسحوق يئالتفاعل الكيميانظرًا لما توفره من فرصة ممتازة لدراسة ميكانيكية ستعملةق المائاكفأ الطر 2002( 2) 22مجلة ابن الهيثم للعلوم الصرفة والتطبيقية المجلد للمواصفات التي تمتاز بها طريقة الترسيب بأشعة الليزر وكيمياء السطوح نظرًا (IRالكيمياء الضوئية في منطقة ) وفهم (8,7,6) . األمتصاص متعدد الليزر الحاث للتفكك عن طريق ستعمالهذا البحث تم ترسيب مسحوق السليكون نتريد بأفي ة هو عند لهذه العمليان المبدا األساس نسب مختلفة.ب( و NH3واالمونيا ) (SiH4الفوتونات لمزيج من غازي السيالين ) فأن الجزئية تمتص التي يرادللجزئية IRحزمة امتصاص اساسية او مركبة في منطقة مع CO2تطبيق خط انبعاث ليزر تحت شدة استضاءة الالتصادميعددًا من فوتونات األشعة تحت الحمراء كافية ألحداث تفكك للجزئية. ان التفكك الرنيني نبضي من دون الحاجة رزازية بليز تر متزن بشدة في الجزيئات بين المستويات األهتوزيع غيعالية اوجد طريقة جديدة لخلق الى العمليات الحرارية. الجزء العملي في هذا البحث جهاز ليزر . استخدام(7المنظومة المبينة في الشكل ) عمالمساحيق السيلكون نتريد بأست حضرت TEA- CO2 ( نبضي من انتاج شركةLUMONICS INCنوع ) (920L )( 3يزود بطاقة نبضية بحدودJ للنبضة ) .10P( 20عند خط األنبعاث ) النافذة ( من 4mm-3) على بعدوللحصول على مسحوق السليكون نتريد تمت تهيئة الخلية ووضع المادة األساس نيا وغاز االمو ،atm-1 .cm-1 12.9)لك معاملة امتصاص )تالذي يم SiH4االمامية لدخول الليزر، وملئها بمزيج من غاز NH3 واطئ لليزر لك معامل امتصاصتالذي يم طاقة الالتحكم ب. يتم تسليط اشعة الليزر على خلية التفاعل بطاقات مختلفة يتم P(20) (0.3 atm-1.cm-1)النبضي للخط قة. ان التفاعل الطاوذلك بامرار الحزمة من خالل خلية التوهين. يتم قياس طاقة الليزر باستخدام مقياس ةعملالمست في الطور الغازي يؤدي الى تكوين راسب ابيض صلب وهو مسحوق السيلكون نتريد NH3و SiH4بين غازي يميائيالك (Si3N4) نعومة والتصاق عالية. يذ النتائج و المناقشة .SiH4تفكك جزيئات فيتأثير كثافة اشعة الليزر - أ ظ عدم حلو ( 50mbarالشعة الليزر لضغط ثابت لغاز السيالين ) (j/cm2 0.1واطئة )اقل من باستخدام كثافة طاقة . (pulse 1200على الرغم من استخدام اعداد كبيرة من النبضات ) (SiH4حدوث زيادة محسوسة في ضغط الغاز ) ( لوحظ تغير محسوس في ضغط الغاز وهذا دليل على حدوث J/cm 0.3كثافات طاقة اعلى وصواًل الى ) عمالوباست ( اذا ان 2)الشكلالتفكك متعددة الفوتونات فبزيادة كثافة الطاقة فأن عدد الجزيئات المشتركة بالتفاعل يزداد، عملية تحت الحمراء مما يؤدي الى تهيج لألشعة في المستويات بسبب المجال القوي زيادة كثافة الطاقة تعني زيادة األتساع .(6)المتفككة مما يؤدي الى زيادة الضغط وهذا يتفق مع زيئاتزيادة عدد الج من ثمعدد اكبر من الجزئيات و .SiH4تفكك جزيئات فيغط تأثير الض - ب (0.3J/cm2كثافة طاقة Φ ) 2J تثبت طاقة اشعة الليزر على ،اذ لكل زمن تشعيع SiH4ضغط غاز عند تغير حسوسة في ضغط الغاز بالرغم من ( اليوجد زيادة م3( شكل )1-25 mbar) SiH4لوحظ عند الضغوط الواطئة لغاز لكثافة طاقة ( 50mbar(، وبزيادة الضغط فوق )1200pulse)استخدام عدد كبير من النبضات 2002( 2) 22مجلة ابن الهيثم للعلوم الصرفة والتطبيقية المجلد لون ذا ظ بعد تفريغ الخلية تكون راسب ( اذ نالح4) ثابتة تبدأ الزيادة في الضغط الى ان تصل الى مرحلة األشباع الشكل .SiH4فاعل ممايدل على حدوث عملية التفكك متعددة الفوتونات لغاز على جدران ونوافذ خلية الت (BROWN) بني ة الزيادة في ( اذا تم مالحظmbar 50عملية التفكك تكون عند عتبة ضغط بحدود ) نستطيع األستنتاج ان حدوث فتفكك الجزيئات الى سيلكون وهيدروجين (SiH4لعدد النبضات فوق عتبة تفكك ضغط غاز )دالة ( 5ضغط الغاز )شكل الهيدروجين الناتجة من السيالين وجزيئات( SiH2خطوات التفكك األولية يتكون ) في انه وتفسير عملية التفكك (9) ( ممكن ان تؤدي الى SiH4يجة مع )( في الحالة االرضية او المتهSiH2اهتزازيًا. ان تفاعل )المتهيجة SiH4 جزيئات النبضي على الليزرالمستمر CO2( بكميات يمكن اهماله وهذا يعد من ايجابيات استخدام الليزر Higher Silanseتكون ) ثم تختفي %50حيث يتكون السيالين العالي من كميات عالية في المراحل األولى من التفاعل بنسبة تحويل اقل من (12,11, 10) . .لتفكيك الجزيئاتالمستعملة عدد الجزيئات المتفككة وعدد الفوتونات في SiH4تأثير ضغط غاز -ج جراء تأأثير تفاعأل مكان وصف عملية األمتصاص متعدد الفوتونات بمقدار الطاقة الممتصة من قبل الجزيئاتاالب مجال األشعة او بمعدل الجزيئات المتفككة التي تساوي h Eabs n  Eabsالطاقة الممتصة =. h =طاقة الفوتون. ( و تطبيق العالقة األتية: SiH4فمن حساب حجم خلية التفاعل وضغط غاز ) P = nkT Pضغط الغاز =. n عدد الجزيئات في وحدة حجم التفاعل =. k =.ثابت بولتزمان T .درجة حرارة الغرفة = (1x 1020) وجد ان الجزيئات الموجودة في حجم التفاعل كانت بحدود( SiH4( )25 mbarفضغط غاز ) في الخلية فكانت بحدود ( 1.66Jاشعة الليزر بطاقة )جزيئة، اما عدد الجزيئات المتفككة جراء تسليط نبضة واحدة من (2.8 x 1015)حدة من لتفكيك جزيئة وا تعملةسالفوتونات الم ، ومن معرفة طاقة الفوتون الواحد وطاقة النبضة فأن عدد ( فوتون من فوتونات األشعة 112ذا علمنا ان الجزيئة الواحدة تحتاج الى )ا. ف(2.7x103( كانت تقريبًا )SiH4جزيئات ) بشكل فعلي وانما تحولت الى حرارة داخل الخلية. هافوتون لم يتم امتصاص( 2586لكي تتفكك فأن مقداره )تحت الحمراء بينما عدد جزيئة، (x 1020 2.5) ودة في حجم التفاعل كانت بحدود( فأن عدد الجزيئات الموجmbar 50وعند ضغط ) لتفكيك جزيئة واحدة فكانت بحدود عملت( جزيئة، وعدد الفوتونات التي استx 1017 2.6المتفككة بحدود ) الجزيئات (3x1020) ( فوتون لم يتم امتصاصها من 180وان ) زيادة البالجزيئات و( 150ضغط الى mbar كانت عدد الجزيئات ) جزيئة، اما عدد (x 1017 5.6المتفككة )بينما عدد الجزيئات ( x 1020 6.3) الموجودة في حجم التفاعل بحدود 2002( 2) 22مجلة ابن الهيثم للعلوم الصرفة والتطبيقية المجلد ( فوتون لم يتم 44فوتون وان ما مقداره ) (x 102 1.56بحدود )لتفيكك جزيئة واحدة فكانت تعملةالفوتونات المس امتصاصها وانما تحولت الى حرارة. الغاز نتيجة ألمتصاص ولغرض تفسير النتائج المستحصلة، فعند تسليط اشعة الليزر تتهيج عدد من جزيئات الضغط تزداد عدد الجزيئات الموجودةادة وصولها الى حد التفكك وعند زي من ثم عددًا من فوتونات األشعة تحت الحمراء و العالي مع الجزيئات التهيج ذاان تصادم الجزيئات اذ ،يئاتالى زيادة التصادم بين الجز في حجم التفاعل مما يؤدي يعني تهيجها او امكانية وصولها الى المستويات شبه المستمرة وهذا ( V - V) نوع األخرى يؤدي الى انتقال الطاقة من زيادة عدد الجزيئات المتهيجة مما يؤدي الى زيادة عدد الجزيئات المتفككة أي زيادة معدل التفكك من ثمكفوء. و بشكل وتونات األشعة تحت فوبذلك يتم امتصاص شبه تام لوبزيادة عدد الجزيئات تقل عدد الفوتونات الالزمة لتفكيك جزيئة .( 73) الموجودة في حجم التفاعل الحمراء من الجزيئات لون المسحوق المحضر فيضغط الغازات تأثير -د مع غاز عملةعلى الغازات األخرى المست (SiH4( والسيالين )NH3مزيج من غاز األمونيا )يفضل استعمال (SiH4 )يكون معقدُا اويحتاج الى طاقة اقلوهذا يعود الى ان التفاعل بين غازي األمونيا والسيالين ال . 500الى ) (mbar 25) ( منSiH4سيب المسحوق نالحظ عند تغيير ضغط غاز )عند اجراء تجربة تر mbar )( ولضغط ثابت لغازNH3) (100 mbar) ولكثافة( 0.3طاقة ثابتة ألشعة الليزرJ/cmانه عند ال ) ضغوط القليلة هذا اللون اذ (White - to - Orange) سحوق من األبيض الى البرتقالييتراوح لون الم (SiH4) لغاز الى ( Orange - to - Brown( ويعزى هذا التغير اللوني )mbar 100فوق )( SiH4لضغط غاز )الى اللون البني (.7الجدول ) (1)الحر خالل التفاعل مع الليزر ترسيب السليكون 25من ) مونياغاز اال ( وتغييرmbar 150على ) (SiH4)ز وعند تغيير نسب الغازات وذلك بتثبيت ضغط غا mbar) ( 450الى mbar لوحظ انه بزيادة غاز االمو ) نيا يتحول اللون البني الى البرتقالي ثم الى لون اسمر ضارب الى الى ابيض مصفر، اما عند ضغط يتحول اللون NH3 (150 mbar)غاز االمونيا ( وعند ضغطTANالصفرة ) (250 mbar) األبيض لمسحوق السليكون نتريد. نالحظ ان أي زيادة اضافية لغاز االمونيا اللون فقد تم الحصول على لون المنتوج. فياليوثر .غاز السيالين في دراسة تأثير اضافة غاز النتروجين -هـ 50( بضأغط )SiH4غأاز ) ( مأعN2نسأب مختلفأة لغأاز النتأروجين ) تعمال اجريت تجربأة ترسأيب المسأحوق بأسأ mbarفعند ضغط غاز .) N2(75 mbar لوحظ ترسب مسحوق ذو لون بني ) على المادة االساس مما يدل علأى حصأول ( لم يتغير لأون المسأحوق المترسأب وهأذا يأدل 100 -150 mbar)N2نسب مختلفة من غاز عملية التفكك الضوئي. وبأخذ زر وترسأأب حبيبأات السأأيلكون لتفكأأك الضأوئي لغأأاز السأيالين جأأراء التعأرض ألشأأعة الليأالمسأحوق المترسأأب نتيجأة لعلأى ان اعأأداد قليلأأة جأأدًا مأأن السأأليكون وان غأأاز النتأأروجين لأأم يعمأأل اال علأأى نتأأردة وجأأدران خليأأة التفاعأألالصأألب علأأى األسأأاس ليكون المتكأون مأن تفكأك غأاز عأدم تفاعلهأا مأع مأع السأل( نتيجأة SiH4غأاز ) فأياليأؤثر N2الحر، ولهذا فأأن اضأافة غأاز . (14,10 )النبضي وهذا يتفق مع CO2 اشعة ليزر السيالين عند استخدام 2002( 2) 22مجلة ابن الهيثم للعلوم الصرفة والتطبيقية المجلد References 1. Borsella,E.; Caneve ,L.; Fantoni,R. and Piccirillo,S. (1989) App. Surface Science, 36: 213-220. 2. Taft,E.A. (1971) J. Electrochem. Soc., 118( 8): 1341-1346. 3. Jianqing,D. and Huang,Z.X.(2002) Journal of Spectroscopy laboratory. 18: 78-83 . 4. Julie, M. Schoenung, (1991) Ceramic Bulletin, 70( 1): 112. 5. Yuehui,Yu. and Fang, Z. (1989) App. Surface science, 40: 145. 6. Ben – Shaul,A,Haas.Y,Kompa.K.L and Levine.R.D, (1981) ( Leaser and Chemical Change): springer seris in Chemical physics 10. 7. Yoshimi, K. Izaki, and Toshio Kandori, (1985). Japan. J - App - phys., 24(7):800. 8. Besling, W. F.; Vander Put.P.J.J, and Schoonman.J. (1995) J.Phys.11(5): 195- 199. 9. Hanabusa,M. and Akira Namiki, (1979) . App. Phys. Lett, 35 (8):626 . 10. Bertolott, M.; Consalvo.D, Mele.A, (1989) App. Surface Science, 36: 89. 11. Wang,W.; Liu,S.H; Zhang,Y. and Mei,Y.B. (1996) Phys.B.V.225,Issues1-2:P137-141 . 12. Zhang, H.;Wri.A, and Chen.K, 2001.,The solid films V.368.Issues.2.P.315- 318 13. Yang.Zhi-mei, and Yang. Wen-bin, 2004 .J.Vacuum science and Technology, V 122 .1232-1238. 14. Mo.C, Wang.T,; Cai.S, and Xie.C, 1993, Phys. State.solid. V.136.Issues.2 P.291- 300 . 2002( 2) 22مجلة ابن الهيثم للعلوم الصرفة والتطبيقية المجلد يبين تغير لون المسحوق مع ضغط غازي االمونيا والسيالين. (1جدول رقم ) Run Pressure Color . ل مخطط للمنظومة المستخدمةـثـيم (1شكل رقم ) 2002( 2) 22مجلة ابن الهيثم للعلوم الصرفة والتطبيقية المجلد No. NH3 mbar SiH4mbar SiN 1 100 25 White 2 100 50 White 3 100 100 Orange 4 100 150 Lt. Brown 5 100 250 Brown 6 100 350 Brown 7 100 500 Brown 1 25 150 Brown 2 75 150 Lt. Brown 3 100 150 Orange 4 125 150 Lt. Orange 5 150 150 Tan 6 200 150 White 7 300 150 White 8 450 150 White مع عدد النبضات دالة لكثافة الطاقة SiH4يبين التغير في ضغط غاز (2شكل رقم ) يبين التغير في الضغط مع عدد النبضات دالة للضغط األبتدائي (3شكل رقم ) 2002( 2) 22مجلة ابن الهيثم للعلوم الصرفة والتطبيقية المجلد عدد النبضات دالة للضغط األبتدائي.(يبين التغير في الضغط مع 4شكل) يبين النسبة بين الضغط الكلي النهائي الى األبتدائي دالة لعدد (5شكل رقم ) Po=50mbarالنبضات عند