3-4-3- جرم موثر25
3-4-4- مسافت آزاد میانگین25
3-4-5- سطح فرمی و پارامترهای مرتبط با آن26
3-4-6- چگالی حالات سیستم27
3-4-7- مقاومت الکتریکی28
3-4-7-1- علت مقاومت29
3-4-7-1-1- در فلزات29
3-4-7-1-2- در نیمههادیها و عایقها29
3-4-7-1-3- در مایعات یونی/الکترولیتها30
3-5- برخی از خواص و تعاریف در حوزهی رسانش در مواد با مقیاس ریز30
3-5-1- چگالی حالات سیستمهای نانومقیاس30
3-5-2- مقاومت در مقیاسهای ریز31
3-5-3- رسانش در سیمهای ریز32
3-5-3-1- رسانش در نانوسیمها در ناحیهی با اثرات کوانتمی32
3-5-3-2- پیشینهی محاسبهی رسانندگی در ابعاد ریز نزدیک به
مسافت آزاد میانگین33
عنوان صفحه
3-5-3-3- رسانش در نانوسیمهای بسبلور با ابعاد نزدیک
به مسافت آزاد میانگین34
3-5-3-4- اندازهگیری تجربی مقاومت ویژهی نانوسیم طلا36
3-5-3-5- محاسبات نظری مقاومت ویژهی نانوسیمها37
3-5-3-6- محاسبات تئوری مقاومت ویژهی نانوسیم طلا39
3-5-4- نانوسیمهای نیمههادی41
3-5-4-1- نانوسیم ZnO42
فصل چهارم: نانوحفره و کاربردهای آن
4-1- مقدمه44
4-2- آندایز آلومینیوم45
4-3- انواع فیلم اکسیدی آندیک45
4-4- ساختار کلی آلومینای آندیک متخلخل46
4-5-سینتیک ساخت آلومینای آندیک متخلخل خود نظم یافته47
4-5-1- آندایز در رژیمهای جریان ثابت و پتانسیل ثابت47
4-5-2- نرخ رشد و انحلال فیلم اکسیدی49
4-5-3- آندایز به روش سخت و نرم50
4-5-4- آندایز پالسی آلومینیوم52
4-6- مکانیسم رشد فیلم متخلخل در حضور میدان54
4-7- رشد حالت پایدار آلومینای متخلخل56
4-8- قطر حفره57
4-9- فاصلهی بین حفرهای58
4-10- ضخامت دیواره59
4-11- ضخامت لایهی سدی60
4-12- تخلخل60
4-13- چگالی حفره61
4-14- رشد خود شکلیافته و رشد با الگو هدایت شده ی آلومینای متخلخل با
نظم بالا 62
4-15- آندایز دو طرفه65
4-16- بهم زدن محلول حین آندایز66
عنوان صفحه
4-17- مراحل پیش آندایز66
4-17-1- چربیزدایی نمونه66
4-17-2- آنیل کردن نمونه67
4-17-3- پالیش کردن نمونه67
4-18- مقاومت لایهی سدی68
4-19- مراحل پس از آندایز68
4-19-1- حل کردن آلومینیوم پشت نمونه68
4-19-2- برداشتن لایهی سدی69
4-19-3- نازکسازی لایهی سدی70
4-20- ساخت نانوساختارها بهکمک قالب AAO70
4-20-1- نانونقاط، نانوسیمها و نانولولههای اکسید فلز72
فصل پنجم: روشهای تولید نانوساختارها
5-1- مقدمه74
5-2- فرایند لیتوگرافی و محدودیتها74
5-3- روشهای غیرلیتوگرافی75
5-3-1- انباشت بخار فیزیکی(PVD)76
5-3-1- 1- کند و پاش76
5-3-1-2- تبخیر پرتوی الکترونی76
5-3-2- انباشت بخار شیمیایی(CVD)77
5-3-3- انباشت سل-ژل77
5-3-4- انباشت الکتروفورتیک (EPD)77
5-3-5- انباشت الکتروشیمیایی78
5-3-6- انباشت لیزر پالسی (PLD)78
5-4- روشهای ساخت آرایهای از نانوسیمها79
5-4-1- اصول کلی انباشت الکتروشیمیایی79
5-4-2- روشهای مختلف الکتروانباشت80
5-4-2-1- آندایز با ولتاژ مستقیم81
5-4-2-2- انباشت با ولتاژ تناوبی81
5-4-2-3- انباشت با ولتاژ پالسی83
عنوان صفحه
5-4-3- شرایط تاثیر گزار بر الکتروانباشت84
5-4-4- الکتروانباشت آرایههای نانوسیم چندلایه85
5-4-5- الکتروانباشت نانوسیمهای نیمههادی86
فصل ششم: روش کار
6-1- تهیهی نمونهها بعنوان قالب 88
6-1-1- مراحل پیش آندایز88
6-1-1-1- انتخاب نمونهی اولیه88
6-1-1-2- تمیز کردن نمونه89
6-1-1-3- بازپخت نمونه89
6-1-1-4- پالیش کردن نمونه89
6-1-2- آندایز نمونه92
6-1-2-1- سوار کردن نمونه93
6-1-2-2- خنک کردن نمونه93
6-1-2-3- آندایز در V13094
6-1-2-4- آندایز در v8695
6-1-2-5- حل کردن آلومینا95
6-1-2-6- آندایز در 104 و v8/6896
6-1-3- مراحل پس از آندایز96
6-1-3-1- نازکسازی نمونه99
6-1-3-2- گشاد کردن حفرهها99
6-1-3-3- حل کردن لایهی آلومینیوم100
6-1-3-4- باز کردن ته حفرهها100
6-2- انباشت در قالب100
6-2-1- الکتروانباشت به روش مستقیم100
6-2-1-1- آمادهسازی نمونه جهت انباشت مستقیم100
6-2-1-2- روش کار102
6-2-2- الکتروانباشت به روش تناوبی102
6-2-2-1- آمادهسازی نمونه جهت انباشت تناوبی103
6-2-2-2- روش کار103
عنوان صفحه
6-2-2-2-1- الکتروانباشت نانوسیمهای Sn104
6-2-2-2-2- الکتروانباشت نانوسیمهای Zn106
6-2-2-2-3- الکتروانباشت نانوسیمهای نقره109
6-2-2-2-4- الکتروانباشت نانوسیمهای Ag/Zn 111
6-2-3- الکتروانباشت به روش پالسی113
6-2-3-1- آمادهسازی نمونه جهت انباشت پالسی113
6-2-3-2- روش کار113
6-2-3-2-1- الکتروانباشت پالسی نانوسیمهای Zn113
6-3- آمادهسازی نمونهها جهت تهیهی تصویر SEM 116
6-4- آمادهسازی نمونهها جهت تهیهی تصویر XRD117
6-5- اکسید کردن نمونهها118
6-6- مقاومتسنجی نمونهها120
6-6-1- مقاومتسنجی بدون انحلال لایهی سدی120
6-6-2- مقاومتسنجی با انحلال لایهی سدی از روی کار120
6-6-3- مقاومتسنجی با انحلال لایهی سدی از پشت کار121
6-7- تخمین مقدار مقاومت تقریبی تک نانوسیم Zn125
فصل هفتم: بحث و نتیجه گیری
بحث و نتیجهگیری128
فهرست منابع و مأخذ131
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول (2-1) روشهای رایج تولید نانومواد8
جدول (3-1) نیمههادیهایی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند.23
جدول (3-2) مقاومت ویژهی تقریبی مواد مختلف30
جدول (3-3) انرژی جنبشی و چگالی حالات برای ابعاد مختلف مواد نیمههادی30
جدول (6-1) آندایزهای انجام گرفته با اهداف انباشتی و شرایط آنها91
جدول (6-2) شرایط ولتاژ و فرکانس در آزمایشهای انباشت -آندایز انجام شده
در آزمایشگاه برای انباشت قلع104
جدول (6-3) خلاصهای از آزمایشهای انجام شده جهت تشکیل نانوسیمهای Zn و
شرایط آندایز و انباشت آنها107
جدول (6-4) مقاومت دوسر نمونههای انباشتی با روکش طلا قبل و بعد از اکسایش123
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (2-1) اساس کار میکروسکوپ الکترونی عبوری11
شکل (2-2) نمایی کلی از اجزای اصلی میکروسکوپ الکترونی روبشی13
شکل (3-1) چگالی حالات برحسب انرژی الکترونها برای سیستم سه بعدی28
شکل (3-2) نمایشی از ابعاد مواد نیمههادی و نمودارهای چگالی حالات آنها31
شکل (3-3) تشریح تفاوت بین پراکندگی آینهای و پخشی سطح. 35
سشکل (3-4) توضیح منشاء پراکندگی مرز-دانه..36
شکل (3-5) نمودار اندازهگیری شده بصورت تجربی از وابستگی مقاومت ویژه
به عرض سیم 37
شکل (3-6) نمودار محاسبه شده از وابستگی مقاومت ویژه به عرض سیم بر پایهی
پراکندگی سطح FS 39
شکل (4-1) (الف) ساختار آلومینای آندایز شدهی متخلخل 46
شکل (4-2) (الف) نمودار رشد اکسید متخلخل در رژیم جریان ثابت (ب) رژیم
پتانسیل ثابت (پ) مراحل جوانهزنی و رشد حفرهها در دو رژیم48
شکل (4-3) نمودار رویهم افتادن فرایندهای رخ داده در طول رشد اکسید متخلخل
تحت رژیم آندایز پتانسیل ثابت49
شکل (4-4) (الف) طرح پالس استفاده شده در آندایز پالسی با پتانسیلهای UMA
دنبال شده با UHA در مدت زمانهایMA ? و HA? 53
شکل (4-5) نمودار الگووار توزیع جریان در شروع و گسترش رشد حفرهها بر
آلومینای آندایزی55
شکل (4-6) نمایی از حرکت یونها و انحلال اکسید در محلول سولفوریک اسید57
شکل (4-7) الف) نمونهی اولیهی AL قبل از الکترپالیش 63
شکل (4-8) نمایشی از الگودهی سطح آلومینیوم با استفاده از یک الگوی خارجی64
شکل (4-9) تصویر SEM از (a) قالب AAO با الگوی دایرهای 64
عنوان صفحه
شکل (4-10) نمایش الگووار مراحل تشکیل ساختار ساندویچی
PAA/AL2O3/PAA 65
شکل (4-11) نمایش طرحواری از تولید مواد نانوساختار با استفاده از آلومینای
آندیک متخلخل 71
شکل (5-1) منحنی جریان لحظهای فرایند الکتروانباشت و مراحل مکانیسم رشد
نانوسیمها. 81
شکل (5-2) مراحل تهیهی آرایهای از نانوسیمها از طریق الکتروانباشت مستقیم82
شکل (5-3) نمایش دو نوع پالس مربعی و سینوسی برای الکتروانباشت شیمیایی84
شکل (5-4) نمایی از مراحل تهیهی نانوسیمهای سولفیدی با استفاده
از قالب آلومینای آندیک متخلخل و روش انباشت الکتروشیمیایی متناوب86
شکل (6-1) دستگاه پانج موجود در آزمایشگاه لایهنشانی جهت برش ورقهی
آلومینیوم به شکل قرصهایی با قطر cm2/189
شکل (6-2) سمت راست قبل از سوار شدن فلنچ بر روی راکتور و سمت چپ
بعد از سوار شدن آن90
شکل (6-3) نمودار پالیش یک قطعه آلومینیوم در محلول پرکلریک اسید و اتانول
به نسبت حجمی یک به چهار91
شکل (6-4) (الف) چینش سیستم آندایز شامل منبع تغذیه، کسی، نمایشگر رایانه،
سیستم خنک کننده، سیمهای رابط و غیره 92
شکل (6-5) نمودار جریان، ولتاژ و بار برحسب زمان در آندایز با اسید اکسالیک M3/0
در v13094
شکل (6-6) نمودار جریان، ولتاژ و بار برحسب زمان در آندایز با اکسالیک M4/0
و سولفوریک M02/0 در V13094
شکل (6-7) نمودار جریان، ولتاژ و بار در آندایز با مخلوط اسید اکسالیک M05/0
و فسفریک M02/0 با ولتاژ V104 که تا مقدار بار حدود Q3 ادامه یافته است. 95
شکل (6-8) الف) نمودار آندایز v130 و نازکسازی متعاقب تا v12 (نازکسازی از
حدود s1850 شروع شده است97
شکل (6-9) دستگاه قابل برنامهریزی ولتاژ و فرکانس ac/dc مدل EC1000S
موجود در آزمایشگاه لایهنشانی98
شکل (6-10) الف) نمونهی آندایز شده که بر واشر چسبیده شده
(از طرف سطح آندایزی) و واشر نیز به شیشه چسبیده است. 101
عنوان صفحه
شکل (6-11) سیستم لایهنشانی چند منظورهی موجود در آزمایشگاه لایهنشانی
بخش فیزیک دانشگاه شیراز102
شکل (6-12) تصویر میکروسکوپی SEM از نانوسیمهای Sn بیرون زده از
حفرههای قالب آلومینای آندیک متخلخل105
شکل (6-13) تصویر XRD حاصل از قالب آلومینای متخلخل انباشته با نانوسیمهای
Sn با روش انباشت الکتروشیمیایی تناوبی…105
شکل (6-14) الگوی پراش XRD حاصل از قالب آلومینای آندیک متخلخل انباشته
با Zn به روش انباشت الکتروشیمیایی تناوبی. 106
شکل (6-15) سمت راست نمودار ولتاژ و جریان پالسی انباشت zn با پالسهای
نامتقارن پیوسته (v18-12) که موج آبی رنگ بار و شیب آن نماینده میزان نشست
میباشد. 108
شکل (6-16) تصویر میکروسی SEM نانوسیمهای Zn بیرون زده از قالب
آلومینای آندیک متخلخل..108
شکل (6-17) نمودار جریان متوسط الکتروانباشت تناوبی در انباشت نقره درون قالب
آلومینای آندیک متخلخل109
شکل (6-18) الف) تصویر سطحی قالب آلومینای آندیک، انباشتی با نانوسیمهای
Ag تهیه شده با میکروسکوپ SEM110

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل (6-18) ب) تصویر سطح مقطع قالب آلومینای آندیک نازکسازی شده بهراه
نانوسیمهای Ag درون حفرهای110
شکل (6-19) نمودار الکتروانباشت شیمیایی Ag-Zn درون قالب آلومینای آندیک
متخلخل. 111
شکل (6-20) الگوی پراش XRD حاصل از قالب آلومینای آندیک متخلخل انباشته
با Zn و Ag به روش انباشت الکتروشیمیایی تناوبی..112
شکل (6-21) تصویر میکروسکوپی SEM از نانوسیمهای Ag-Zn بیرون ریخته
از حفرههای قالب AAO112
شکل (6-22) الف) پالس مربعی استفاده شده جهت الکتروانباشت به روش پالسی 114
شکل (6-23) قالب آلومینای آندیک متخلخل پر شده با روی به 114
شکل (6-24) الف) نمودار پالسهای ولتاژ طراحی شده جهت انباشت115
شکل (6-25) الگوی پراش XRD حاصل از قالب آلومینای آندیک متخلخل انباشته
با Zn به روش انباشت الکتروشیمیایی پالسی. 115
عنوان صفحه
شکل (6-26) تصاویر SEM حاصل از یک نمونه الکتروانباشت پالسی درون قالب
آلومینای آندیک متخلخل بعد از آمادهسازی نمونه جهت تصویر برداری116
شکل (6-27) یک نمونهی Sn بصورت کامل و یک نیم قطعه از قالب انباشت شده
که بر روی لامل چسبانده شده و AL آنها حل گردیده و آمادهی تهیهی
الگوی XRD هستند.117
شکل (6-28) تصویر XRD حاصل از قالب آلومینای آندیک متخلخل انباشته با
نانوسیمهای Zn بعد از اکسایش در دمای c3000 به مدت حدود 40 ساعت. 119
شکل (6-29) تصویر XRD حاصل از قالب آلومینای متخلخل انباشته با نانوسیمهای
Sn بعد از اکسایش در دمای c5500 به مدت حدود 40 ساعت119
شکل (6-30) قالب آلومینای آندیک متخلخل انباشته با روی در حین انحلال در
محلول NaOH 25%121
شکل (6-31) قالب آلومینای آندیک متخلخل پر شده با روی به روش انباشت
الکتروشیمیایی پالسی.123
شکل (6-32) نمونههای تهیه شده جهت اندازهگیری مقاومت، که روی آنها
توسط چسب نقره سیمهای نازک مسی چسبانده شده و سپس با چسب مایع
پوشش داده شدهاند.124
شکل (6-33) طرحی از سطح لانه زنبوری آلومینای آندایز شده126

فصل اول

مقدمه

1-1- مقدمهای بر نانوتکنولوژی
یکی از موفقیتهای بزرگ علمی و صنعتی این قرن معرفی و توسعهی نانو مواد و نانو تکنولوژی است. در زمان حاضر تحقیقات وسیعی خصوصاً در بعد صنعتی بصورت کلی یا جزئی به نانو مواد اختصاص داده شدهاند و تعداد انتشارات شاخههای مختلف این علم در حال افزایش است [1]. اصطلاح نانوتکنولوژی در سال 1974 بوسیلهی محقق ژاپنی نوریو تانیگوچی به منظور مهندسی در مقیاس طول کمتر از میکرومتر ایجاد شد [2]. بعدها ابداع میکروسکوپ الکترونی و انواع آن، توانایی دید مواد در مقیاس نانو را به ما داد [3].
کوچکترین ابعاد در فناوری نانوساختارهای یک بعدی به کوچکی nm5/1 رسیده است. انگیزهی کاهش بیشتر اندازه، افزایش سطح تماس اجزا، کاهش قیمت و افزایش کارایی است [4].
نانوساختارها شامل ساختارهای محدود شده در یک بعد مانند نانوفیلمها، در دو بعد مانند نانولولهها، نانوسیمها و نانومیلهها و در سه بعد مانند نانونقاط یا نقاط کوانتمی میباشند، که در فصل دوم بیشتر راجع به آنها توضیح خواهیم داد.
اصطلاح “کشیدگی”1 بعنوان طول تقسیم شده بر عرض یک جامد تعریف شده است.
اصطلاح “نانونقطه”2 بطور کلی به جسمی با کشیدگی برابر 1 اشاره دارد. یک”نانومیله”3 جسمی با کشیدگی بین 1 تا 20 با دیمانسیونی کوچک از مقیاس nm100-10 میباشد.
یک “نانوسیم”4 جسمی با کشیدگی بزرگتر از 20 با دیمانسیون nm100-10 است [5].
نانوسیمها در دو بعد محدود و تنها در یک بعد گسترش یافتهاند، بنابراین هدایت الکتریکی آنها از مواد کپهای5 نظیرشان متفاوت خواهد بود.
در نانوسیمها هدایت الکتریکی هم از طریق هدایت کپهای و هم از طریق پدیدههای کوانتمی مانند فرایند تونلزنی صورت میگیرد. همچنین بخاطر چگالی حالتهای الکترونی زیاد نانوسیمها، گاف انرژی وابسته به قطر، پراکندگی سطحی الکترون و فوتونها و انرژی مقید تحریکی افزایش یافته، همچنین نسبت سطح به حجم بالا و نسبت طول به قطر بزررگ، نانوسیمهای فلزی و نیمههادی خواص الکتریکی، مغناطیسی، اپتیکی، ترمودینامیکی و شیمیایی منحصر به فردی را در مقایسه با سیمهای با مقیاس ماکروسکوپی نظیرشان نشان میدهند [6].

1-2- روشهای ساخت آرایهای از نانوسیمها
بطور کلی دو روش جهت ساخت نانوسیمها بصورت آرایهای وجود دارد [7]:
الف) روشهای متکی به لیتوگرافی که دقت نانوسیمهای ساخته شده در این روش بسیار بالاست، ولی از طرف دیگر هزینهی ساخت نیز زیاد میباشد.
ب) قالبسازی که در این روش قالبهای حفرهدار جهت انباشت مواد و ساخت نانوسیم، با روشهای مختلفی ساخته میشوند. مثل قالبهای کوپلیمری، قالبهای ساخته شده توسط سونش یونی میکا یا پلاستیک و قالبهای ساخته شده توسط آندایز آلومینیوم که روش مورد علاقهی ما در ساخت نانوسیمها در این تحقیق میباشد.
پرکردن قالب آلومینای حفرهدار توسط مواد دلخواه یکی از تکنیکهای ساده و کم هزینه میباشد، که طی آن یک آرایهی منظم از نانوسیمها با مواد مختلف را میتوان تولید نمود. اکسید آلومینای آندیک با ساختار حفرهای، بوسیلهی آندایز آلومینوم تولید میشود [8].
ساخت نانوسیمها در دو مرحله انجام می شود: مرحلهی اول ساخت قالب حفرهدار و آماده نمودن آن برای انباشت ماده و مرحلهی دوم پرنمودن حفرهها .

1-3- ساخت قالبهای حفرهدار
ایجاد حفرهها در یک ساختار ششگوشی منظم درون فیلم آلومینای آندیک، مراحل مختلفی دارد که بصورت کلی به شرح زیر است:
آمادهسازی بستر پیش از آندایز که به آلومینیوم 999/99 % با ضخامتی تا mm1 نیاز داریم.
به این منظور به کارهایی نظیر تمیز نمودن سطح از چربی و کثیفیها با امواج صوتی، صیقلی نمودن سطح با الکتروانباشت و شستشوی آن با آب دوبار مقطر نیاز است.
آندایزآلومینیوم که برای بدست آوردن قالب اکسید آلومینای حفرهدار تحت شرایط زیر انجام میشود:
فرایند آندایز در سلول الکتروشیمیایی که نمونه بعنوان الکترود آند و آلومینیوم معمولی بعنوان کاتد استفاده میشود، انجام میگیرد. برای الکترولیت مورد استفاده معمولاً از اسیدهای سولفوریک، اکسالیک، فسفریک و به ندرت کرمیک استفاده میگردد [9].
آندایز معمولاً تحت پتانسیل ثابت بین v200-20 و در دماهای پایین بین صفر تا 20 درجهی سانتیگراد انجام شده و برای جلوگیری از گرم شدن نمونه، محلول اسیدی بشدت هم زده میشود تا همچنین رشد همگن اکسید متخلخل صورت گیرد [10].

1-4- پرکردن حفرهها به روش الکتروانباشت شیمیایی
سه روش جهت انباشت مواد مختلف داخل آلومینای حفرهدار وجود دارد، که شامل انباشت بوسیلهی ولتاژ مستقیم، متناوب و پالسی میباشد.
الف) انباشت مستقیم که در این روش انباشت بدون نازکسازی لایهی سدی بوده و آلومینیوم و لایهی سدی برداشته شده، سپس یک لایهی رسانا بر روی حفرههای باز کشیده میشود و انباشت با ولتاژ مستقیم انجام میگیرد.
ب) انباشت تناوبی با نازکسازی لایهی سدی، بطوری که کف حفرهها به فلز آلومینیوم نزدیک میشود، انجام میگیرد، که ولتاژ انباشت متناوب میباشد. زیرا لایهی سدی بعنوان خازن الکترولیتی نشستدار و یکسوکننده عمل میکند.
پ) در انباشت بوسیلهی ولتاژ پالسی، به غیر از دو نیمهی کاتدی و آندی در پتانسیلهای موجی اعمال شده، یک مدت زمان تاخیر هم در نظر گرفته میشود که در این مدت پتانسیل قطع میباشد و یونها بدرون حفرهها نفوذ مینمایند، که در نتیجه ساختار یکنواختتری حاصل میگردد [11].

1-5- هدف از این پایاننامه
در این تحقیق سعی داریم تا با استفاده از روش انباشت الکتروشیمیایی درون قالبهای آلومینای آندیک متخلخل، نانوسیمهای فلزی چند ماده را تولید کنیم. این نانوسیمها شامل نانوسیمهای روی، قلع، نقره و ترکیب روی-نقره هستند که با روشها و شرایط مختلف تهیه میگردند.
در ادامه با اکسید کردن نانوسیمهای فلزی روی و قلع به نانوسیمهای نیمرسانا میرسیم. سپس تصاویر میکروسکوپی SEM و الگوی پراش XRD نانوسیمهای ساخته شده را تهیه و ارائه میکنیم.
همچنین مقاومت الکتریکی قالبهای پر شده را در چند مورد قبل و بعد از اکسید کردن اندازهگیری کرده و ضمن نشان دادن تغییر در مقاومت قبل و بعد از اکسایش، همچنین تایید فرضیهی ساخت مقاومت از نانوسیمها بصورت تجربی و در حالیکه بحثهای نظری آنرا نیز ارائه کردهایم، برای بهینهسازی مقاومت الکتریکی این قطعات جهت کابرد صنعتی تلاش
میکنیم.
همچنین محاسباتی تقریبی جهت یافتن مقدار مقاومت الکتریکی یک تک نانوسیم انجام میدهیم. در ادامه مطالب ارائه شده در فصول مختلف این پایاننامه را شرح میدهیم:
در فصل دوم به توضیح در خصوص نانوتکنولوژی، روشهای ساخت، نانومواد و نانوساختارها و روشهای شناسایی این مواد و توضیحی در رابطه با نانوسیمها به طور اختصاصی پرداختهایم.
در فصل سوم خواص رسانشی مواد به خصوص نیمرساناها در مقیاس ماکروسکوپی و مقیاسهای خیلی ریز را ارائه میکنیم.
در فصل چهارم به تشریح مراحل ساخت قالبهای آلومینای آندیک متخلخل، ویژگیهای ساختاری و فرایندهای آمادهسازی جهت انباشت درون این قالبها پرداختهایم.
در فصل پنجم توضیحی بر بعضی روشهای رشد غیرلیتوگرافی نانومواد داده و اصول و روشهای انباشت الکتروشیمیایی درون قالبهای آلومینای آندیک متخلخل را بررسی کردهایم.
در فصل ششم روشهای کار ما در آزمایشگاه لایهنشانی بخش فیزیک دانشگاه شیراز جهت تهیهی قالبهای آلومینای آندیک متخلخل، پرکردن آنها، مقاومتسنجی و روشهای آمادهسازی جهت شناسایی مواد و تهیهی تصاویر میکروسکوپی و محاسبات تقریبی مقاومت الکتریکی نانوسیم آورده شده است.
در فصل هفتم نیز به بررسی نتایج حاصل از کار پرداختهایم.

فصل دوم

نانوفناوری

2-1- مقدمه
اصطلاح نانوتکنولوژی یا نانوفناوری بطور گسترده برای توصیف ویژگیها و کاربردهای مواد در بازهی 1 تا nm100 گفته میشود. مواد نانوساختار بعنوان ساختارهای کوچک با شکل، اندازه، ترکیب، حالت و کارکرد کنترلپذیر شناخته میشوند. از جمله این مواد شامل نانوذرات، نانولولهها، نانوسیمها، نانوفیلمها و نقاط کوانتمی هستند.
مثالی از بخشها یا صنایعی که تولیدات نانو استفاده میکنند شامل پوستههای سرامیک، لایهنشانیها، ترکیبات، محصولات محافظ پوست، بیوتکنولوژی، نیمههادیها و فیلمهای نازک هستند [12].
اساساً دو روش متفاوت برای ساختن ابزار یا ماشینهای خیلی کوچک وجود دارد. روش اول مسیر ” بالا به پایین ” که نسبتاً دقیق بوده و عبارتست از بریدن یک تکه از ماده و کوچک کردن آن، سپس آسیاب کردن به ابعادی که می خواهیم. حدود اندازهی کوچکترین شکلهایی که میتوان ساخت بستگی به ابزارهایی دارد که به کار میروند [13].
روش دوم ساخت مواد با ابعاد نانوذرات، روش ” پایین به بالا” نامیده میشود، که در طی این روش ساخت، اتمها و مولکولها به طور خیلی دقیق کنار هم قرار میگیرند و هر جا که نیاز باشد، یک مجموعهی خودانباشته و یا خودآرایش یافتهای را پدید میآورد. در اینجا واحدهای ساختمانی مولکولی یا اتمی طوری طراحی میشوند که به خوبی در کنار هم جای گیرند و بهم بچسبند تا اشیای بزرگتری را بسازند [14].
روشهای پایین به بالا مواد را در مقیاس اتمی بصورت مجتمعسازی یا رشد از طریق پیش مادهی جامد، مایع یا گاز با فرایندهای شیمیایی یا فیزیکی گردهم میآورد. در جدول (2-1) اکثر روشهای بکار رفته در تولید نانومواد خلاصه شده است.
صنعت بالا به پایین دیدگاهی بسیار رایج است که امروزه برای تولید نانومواد استفاده
میشود. باور عمومی بر این است که این تکنیکها خیلی بیصرفهتر از تکنیکهای پایین به بالا هستند. اکثراً پیشنهاد میشود که روشهای پایین به بالا ابزار نهایی برای تولید طولانی مدت باشند.
جدول (2-1) روشهای رایج تولید نانومواد

نانومواد طیف گستردهای از کاربردها را در بر میگیرد، که شامل پودرها، پوششها
(روکشها)، مدارهای مجتمع (Ics)، کاتالیزورها و مواد آنتیباکتریال هستند.

2-2- دستهبندی نانوساختارها
نانوساختارها بطور کلی از لحاظ ابعادی به دستهبندیهای زیر تقسیم میشوند:

2-2-1- فراوردههای نانوی دو بعدی
فراوردههایی با ویژگیهای مقیاس نانو در یک بعد شامل فیلم نازک، روکشها (جهت جلوگیری از خوردگی) و دیوارههای کوانتمی از فیلمهای نیمههادی، فلز و دیالکتریک، فراوردههای دو بعدی نامیده میشوند. این فراوردهها مشتمل بر اجزای مختلف وسایل الکتریکی و اپتیکی (شامل کامپیوتر، موبایل، لیزر، دیودهای نورگسیل و صفحات خورشیدی) و روکشهای نازک نیمههادی، فلزی و دیالکتریک هستند. اکثر این تولیدات ترکیبی از نیمههادیهایی از قبیل سیلیکون، کربن، اکسید سیلیکون بعنوان عایق و آلومینیوم و مس بعنوان اتصال میان فلزی میباشند. بعضی ترکیبات دیگر نیز در اپتیک و فوتونیک کاربرد دارند.
ابعاد چنین وسایلی معمولاً با گذشت زمان پیروی مسیر قانون مور کاهش مییابد. قانون مور تعیین میکند که تعداد اجزا در تراشههای الکتریکی هر 24 ماه دو برابر میشود [15].
کوچکترین ابعاد در فراوردههای نانوی یک بعدی به کوچکی nm5/1 رسیده است. انگیزهی کاهش بیشتر اندازه، افزایش چگالی اجزا، کاهش قیمت و افزایش کارایی میباشد [4].
بهسازی میتواند به سه شکل زیر اتفاق بیفتد:
– افزایش چگالی اجزا (تعداد ترانزیستر بر مساحت سطح)
– مجتمع سازی نانوساختارهای جدید مانند نانولولههای کربن (CNTs) و نانوسیمها
– ترکیب مواد جدید مانند استفاده از HfO2 بیشکل برای جایگزینی SiO2 در ترانزیسترها [16].
2-2-2- فراوردههای نانوی یک بعدی
فراوردههای با ویژگیهای مقیاس نانو در دو بعد که شامل مواد نانوساختار از قبیل نانولولههای یک دیواره یا چند دیواره، نانوسیمها و نانومیلهها هستند، فراوردههای یک بعدی نامیده میشوند، که نانوسیمها خود انواع مختلفی شامل رسانا و نیمرسانا داشته و کاربردهای زیادی در صنعت پیدا نموندهاند.

2-2-3- فراوردههای نانوی صفر بعدی
فراوردههایی با ویژگیهای مقیاس نانو در سه بعد شامل نقاط کوانتمی، مانند فولرینها6، پلیمرهای پرشاخه7 و نانوذرات را فراوردههای سه بعدی گویند.

2-3- تجهیزات شناسایی نانومواد
برای شناسایی نانومواد و بررسی خواص ساختاری آنها از دستگاههای مختلفی از جمله میکروسکوپهای الکترونی، پراش پرتوی ایکس (XRD)، طیفسنجی جرمی رامان و کروماتوگرافی استفاده میشود.
میکروسکوپ الکترونی جهت شناخت خواص و ساختار نانومواد، یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین دستگاه‌هایی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. با میکروسکوپهای نوری تنها تا اندازهی میکرون را مشاهده میکنند و برای بررسی و مطالعهی نانوساختارها میتوان از میکروسکوپهایی مانند TEM8،SEM9 ، STM10 ،SPM11 ،AFM12 استفاده کرد.
2-3-1- میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM)
این میکروسکوپ اندازه و شکل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به دست می‌دهد، که به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگی دارد. امروزه در بررسی خواص مواد نانوساختاری از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا13 استفاده می‌شود.
برخورد الکترون با ماده همراه با اتفاقات مختلفی می‌باشد، که از مهم‌ترین آنها می‌توان به برخورد و تولید الکترون ثانویهی پس‌پراکندگی و پیش‌پراکندگی تولید اشعه X و الکترون اوژه اشاره کرد، که تحلیل نتایج هریک از این سازوکارها اطلاعاتی را در مورد شکل و اندازه، ساختار و ترکیب شیمیایی ماده به دست می‌دهد.
روشهای مختلفی برای تولید پرتوی الکترونی وجود دارد. در یکی از این روشها پرتوی الکترونی از یک گسیل ترمویونیک به طور معمول از یک المان داغ که تا دمای حدود 2800 درجهی کلوین گرم شده و اغلب از جنس تنگستن یا LaB6 است، تولید میشود. این المان را نسبت به شبکه‌های شتاب‌دهنده در پتانسیل منفی نگه می‌دارند و الکترون‌های تولیدشده در اثر پدیده ترمویونیک در پتانسیل بالا شتاب گرفته و انرژی بالایی کسب می‌کنند. در این حالت با اعمال میدانی با قدرت بالا در سطح فلز و کاهش سد پتانسیل، الکترون می‌تواند تونل زده و از سطح فلز خارج شده و شار بزرگی از الکترون ایجاد کند. برای بدست‌ آوردن بهرهی بالا برای تولید جریان، باید از فلزی با نوک بسیار تیز استفاده کرد و برای جلوگیری از اکسید شدن، خلاء خیلی بالا نیز مورد نیاز است. الکترون‌های ایجاد شده را می‌توان به کمک میدان مغناطیسی (که مجموعهی مورد استفاده عدسی مغناطیسی نامیده می‌شود) کانونی کرده و باریکهی الکترونی مناسبی تولید کرد. در اثر برخورد باریکهی الکترونی با ماده پدیده‌های متنوعی روی می‌دهد (شکل 2-1)، که مهمترین آنها عبارتند از جذب که الکترون در برخوردهای پیدرپی تمام انرژی خود را به ماده منتقل می‌کند. اصولاً در برخورد الکترون با اتمها دو نوع پراکندگی بوجود میآید، پراکندگی الاستیک که الکترون انرژی خود را از دست نمیدهد و فقط تغییر مسیر میدهد و پراکندگی غیرالاستیک که الکترون بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهد، شامل پراکندگی ناشی از تولید فوتون، پراکندگی در اثر برخورد با بار آزاد سطحی در فلزات که پراکندگی پلاسمونی نامیده می‌شود، همچنین برانگیختگی الکترون والانس و برانگیختگی الکترون‌های مدار داخلی ماده که در تولید اشعه X (که مشخصهی ماده است) نقش دارد، میباشد.
در اثر برخورد باریکهی الکترونی با ماده، الکترونهای ثانویه تولید میشوند. هر چند تفکیک الکترونهای اولیهی کمانرژی و الکترونهای ثانویه دشوار است. الکترونها در برخورد اولیه با ماده موجب برانگیختگی الکترونهای ترازهای داخلی ماده میشوند.
الکترون‌های برانگیخته ‌شده به دو صورت به حالت پایه برمی‌گردند که عبارتند از:
تولید الکترون اوژه و تولید اشعهی X که با اندازه‌گیری هرکدام از آنها می‌توان برخی از ویژگی‌های ماده را بدست آورد. در صورتی که تراز برانگیخته ‌شده ‌تراز خارجی اتم باشد، الکترون با گسیل فوتون می‌تواند به حالت پایه برگردد. درابتدا باریکه الکترونی با انرژی بالا در یک تفنگ الکترونی تولید می‌شود. باریکه تولید شده را می‌توان به راحتی و به وسیله عدسی‌های مغناطیسی به مقدار مناسب کانونی کرد. باریکه الکترونی به نمونهی مورد آزمایش که دارای ضخامت بسیار کمی است، تابانیده میشود و سازوکارهایی که پیشتر در مورد آنها صحبت شد و بسته به نوع ماده در ناحیهی برخورد وجود خواهد داشت، آشکارسازهایی برای آشکارسازی و جمعآوری دادههای مربوط به هریک از فرآیندهای موجود درنظر گرفته شده است، که از تمام پرتوهای عبوری برای ایجاد تصویر استفاده میشود.

شکل (2-1) اساس کار میکروسکوپ الکترونی عبوری

2-3-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)
در میکروسکوپ الکترونی روبشی که اجزای اصلی آن را در شکل (2-2) میبینید نیز مانند TEM یک پرتوی الکترونی به نمونه میتابد. منبع الکترونی یک کاتد فیلامان یا تفنگ الکترونی (معمولاً از نوع انتشار ترمویونیکی فیلامان یا رشته تنگستنی) است. معمولاً الکترونها بین Kev30-1 شتاب داده می شوند، سپس دو یا سه عدسی متمرکز کننده پرتو الکترونی را کوچک میکنند، بطوریکه در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً 2 تا 10 نانومتر است.
وقتی پرتوی الکترونی اولیه با نمونه برهمکنش میکند، الکترونها با پراکندگی پیدرپی انرژی از دست داده و جذب حجم کوچکی از سطح، که به حجم برهمکنش معروف بوده و کمتر از nm100 تا µm5 از سطح را شامل است، میشوند. اندازهی حجم برهمکنش به انرژی فرودی الکترونها، عدد اتمی نمونه و چگالی آن بستگی دارد.
پرتو پس از برخورد با جسم از بین جفت سیمپیچها یا جفت صفحههای منحرف کنندهی ستون الکترون عبور میکند، که در لنزهای آخر پرتو در جهات x و y منحرف میشود. پس یک سطح مستطیلی از سطح نمونهی اسکن شده نمایش داده میشود. تقویتکنندههای الکترونی برای تقویت سیگنالهایی که بعنوان تغییرات در درخشنگی لامپ پرتوی کاتدی نمایش داده میشود، استفاده میشوند. تصویر نهایی، طرح توزیع شدت سیگنال گسیل شده از سطح اسکن شدهی نمونه است که توسط کامپیوتر نمایش داده میشود.

2-3-2-1- بزرگنمایی
بزرگنمایی در یک SEM میتواند از 10 تا 500000 مرتبه کنترل شود و میتواند وابسته به جریان بکار رفته در سیمپیچهای x و y یا ولتاژ بکار رفتهی صفحات منحرف کنندهی x و y باشد.

2-3-2-2- آمادهسازی نمونه
نمونهها باید اندازهی مناسب با محفظهی نمونه داشته و خیلی محکم روی یک نگهدارنده سوار شده باشند. چندین مدل از SEMها میتوانند قرصهای 6 اینچی (cm5) از نیمههادیها را بررسی کنند و بعضی میتوانند یک نمونه را تا 450 خم کنند. برای تصویرگری مرسوم در SEM نمونهها باید از لحاظ الکتریکی رسانا باشند (حداقل سطحشان). مواد نارسانا وقتی با پرتوی الکترونی پویش میشوند، متمایل به باردار شدن بوده و این سبب خطا در کاوش و ایجاد تصاویر مصنوعی میشود. پس با یک لایهنشانی نازک از مواد رسانا (عموماً طلا) با روشهایی مانند انباشت14 یا کند و پاش15 خلا روی مواد میتوان نمونه را آمادهی تصویرگری نمود. این کار مانع از انباشت بار الکتریکی ساکن روی نمونه در طول تابش الکترون میشود. یکی از دلایل لایهنشانی حتی وقتی که رسانایی نمونه برای ممانعت از انباشت بار کافیست، افزایش قدرت تفکیک تصویر سیگنالها، بخصوص برای نمونههایی که دارای عدداتمی (Z) کوچکی هستند، میباشد.
شکل (2-2) نمایی کلی از اجزای اصلی میکروسکوپ الکترونی روبشی

2-3-3- میکروسکوپ روبشی تونل زنی(STM)
میکروسکوپ روبشی تونلزنی دستگاهی است که برای بررسی ساختار و برخی از خواص سطوح مواد رسانا و مواد بیولوژیکی که تا حدی رسانا هستند و همچنین لایه های نازک نارسانا که روی زیر لایهی رسانا در حد ابعاد نانومتری لایهنشانی شدهاند، بکار میرود. مبنای اندازهگیری هندسه و خواص سطحی در این دستگاه بر این واقعیت استوار است که هرگاه فاصلهی یک سوزن تیز رسانا از یک سطح رسانا حدود چند آنگستروم باشد (متصل نشود) و اختلاف ولتاژی به بزرگی حدود چند ده میلی ولت به آن اعمال شود، جریان الکتریکی حدود چند نانوآمپر بین سوزن و سطح برقرار می شود. به این پدیده در اصطلاح جریان تونلزنی گفته میشود، که پدیدهای مکانیک کوانتمی میباشد. مقدار جریان الکتریکی تابعی از فاصله سوزن از سطح، شکل و جنس سوزن، هندسه و جنس سطح و اختلاف ولتاژ سوزن و سطح میباشد. در دستگاه STM این سوزن تیز رسانا به بازوهای پیزوالکتریکی متصل است، که به وسیلهی آنها سوزن به هر نقطه دلخواه از سطح با فاصلهی دلخواه از آن نقطه منتقل شده و امکان بررسی خواص آن نقطه از سطح فراهم میشود. برای تعیین خواص نقاط مختلف سطح از STM به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم استفاده میشود. در واقع در تعیین خواصی که مستقیماً از روی تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن از سطح و اختلاف ولتاژ اعمال شده استنتاج میشوند، از STM به صورت مستقیم استفاده شده است. خواصی از سطح که به طور مستقیم توسط STM تعیین میشوند عبارتند از توپوگرافی هندسی سطح، تابع کار نقاط مختلف سطح، چگالی حالات انرژی نقاط مختلف سطح، ترازهای ارتعاشی نقاط مختلف سطح، حوزه های مغناطیسی سطوح و مغناطش آنها.
در دستهی دیگر روشهای تعیین خواص سطحی، از جریان تونلی برای تحریک الکترونهای یک نقطه از سطح استفاده میشود. در این حالت به طور موقت برخی از خصوصیات آن نقطه از سطح تغییر میکند که باعث میشود این نقاط توسط روشهای دیگر اسپکتروسکوپی (مانند اسپکتروسکوپی رامان و لومینسانس) قابل شناسایی شوند.
اصول کلی کار STM به این صورت است که یک سوزن بسیار ظریف و نوک تیز رسانا به یک بازوی پیزوالکتریک متصل است. به منظور تنظیم مکان سوزن نسبت به سطح نمونهی مورد بررسی، با اعمال اختلاف ولتاژهای مناسب به پیزوالکتریکها در سه راستای x، yوz، سوزن را به هر نقطه دلخواه از فضای سه بعدی، با دقت آنگستروم، میتوان منتقل کرد. برای تهیه نقشهی خصوصیات یک ناحیه از سطح، سوزن به بالای تک تک نقاط سطح منتقل شده که به این کار در اصطلاح “روبش سطحی” گفته میشود. در این حالت در یک ارتفاع معین، اختلاف ولتاژ خاصی بین سطح نمونه و سوزن رسانا اعمال شده و جریان الکتریکی تونلی اندازهگیری میشود. بررسی اندازهی جریان، منتج به خصوصیات سطح و ارتفاع سوزن از سطح میشود. دو مد حالت برای عملکرد سیستم داریم، یکی مد جریان ثابت که اغلب در مواردی که جنس سطح در نقاط مختلف یکسان است استفاده میشود، در نتیجه جریان تونلی تنها تابعی از ارتفاع سوزن بوده و تغییرات ارتفاع ثبت خواهد شد. حالت دیگر مد ارتفاع ثابت میباشد، که فرایند سریعتری بوده و در اختلاف ولتاژ ثابت، ارتباط جریان تونلی بر حسب فاصلهی سوزن از سطح، مطابق رابطهی IT ~ exp (-2kz) میباشد، که z فاصلهی سوزن از سطح و k بسته به جنس سطح و جنس و شکل سوزن مقدار ثابتی میباشد. در نتیجه از روی این رابطه فاصله سوزن از سطح بدست میآید، که به معنی معلوم شدن توپوگرافی هندسهی سطح می باشد.


پاسخ دهید