انتخاب صفحه

فهرست مطالب

فصل اول:مقدمه

یکی از موفقیت¬های بزرگ علمی و صنعتی این قرن معرفی و توسعه¬ی نانو مواد و نانو تکنولوژی است. در زمان حاضر تحقیقات وسیعی خصوصاً در بعد صنعتی بصورت کلی یا جزئی به نانو مواد اختصاص داده شده¬اند و تعداد انتشارات شاخه¬های مختلف این علم در حال افزایش است [1]. اصطلاح نانوتکنولوژی در سال 1974 بوسیله¬ی 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. انگیزه¬ی کاهش بیشتر اندازه، افزایش سطح تماس اجزا، کاهش قیمت و افزایش کارایی است [4].
نانوساختارها شامل ساختارهای محدود شده در یک¬ بعد مانند نانوفیلم¬ها، در دو بعد مانند نانولوله¬ها، نانوسیم¬ها و نانومیله¬ها و در سه بعد مانند نانونقاط یا نقاط کوانتمی می¬باشند، که در فصل دوم بیشتر راجع به آن¬ها توضیح خواهیم داد.
اصطلاح “کشیدگی” بعنوان طول تقسیم شده بر عرض یک جامد تعریف شده است.
اصطلاح “نانونقطه” بطور کلی به جسمی با کشیدگی برابر 1 اشاره دارد. یک”نانومیله” جسمی با کشیدگی بین 1 تا 20 با دیمانسیونی کوچک از مقیاس nm100-10 می¬باشد.
یک “نانوسیم” جسمی با کشیدگی بزرگتر از 20 با دیمانسیون nm100-10 است [5].
نانوسیم¬ها در دو بعد محدود و تنها در یک بعد گسترش یافته¬اند، بنابراین هدایت الکتریکی آنها از مواد کپه¬ای نظیرشان متفاوت خواهد بود.
در نانوسیم¬ها هدایت الکتریکی هم از طریق هدایت کپه¬ای و هم از طریق پدیده¬های کوانتمی مانند فرایند تونل¬زنی صورت می¬گیرد. همچنین بخاطر چگالی حالت¬های الکترونی زیاد نانوسیم¬ها، گاف انرژی وابسته به قطر، پراکندگی سطحی الکترون و فوتون¬ها و انرژی مقید تحریکی افزایش یافته، همچنین نسبت سطح به حجم بالا و نسبت طول به قطر بزررگ، نانوسیم¬های فلزی و نیمه¬هادی خواص الکتریکی، مغناطیسی، اپتیکی، ترمودینامیکی و شیمیایی منحصر به فردی را در مقایسه با سیم¬های با مقیاس ماکروسکوپی نظیرشان نشان می¬دهند [6].
1-2- روش¬های ساخت آرایه¬ای از نانوسیم¬ها

بطور کلی دو روش جهت ساخت نانوسیم¬ها بصورت آرایه¬ای وجود دارد [7]:
الف) روش¬های متکی به لیتوگرافی که دقت نانوسیم¬های ساخته شده در این روش بسیار بالاست، ولی از طرف دیگر هزینه¬ی ساخت نیز زیاد می¬باشد.
ب) قالب¬سازی که در این روش قالب¬های حفره¬دار جهت انباشت مواد و ساخت نانوسیم، با روش¬های مختلفی ساخته می¬شوند. مثل قالب¬های کوپلیمری، قالب¬های ساخته شده توسط سونش یونی میکا یا پلاستیک و قالب¬های ساخته شده توسط آندایز آلومینیوم که روش مورد علاقه¬ی ما در ساخت نانوسیم¬ها در این تحقیق می¬باشد.
پرکردن قالب آلومینای حفره¬دار توسط مواد دلخواه یکی از تکنیک¬های ساده و کم¬ هزینه می¬باشد، که طی آن یک آرایه¬ی منظم از نانوسیم¬ها با مواد مختلف را می¬توان تولید نمود. اکسید آلومینای آندیک با ساختار حفره¬ای، بوسیله¬ی آندایز آلومینوم تولید می¬شود [8ساخت نانوسیم¬ها در دو مرحله انجام می شود: مرحله¬ی اول ساخت قالب حفره¬دار و آماده نمودن آن برای انباشت ماده و مرحله¬ی دوم پرنمودن حفره¬ها .
1-3- ساخت قالب¬های حفره¬دار

ایجاد حفره¬ها در یک ساختار شش¬گوشی منظم درون فیلم آلومینای آندیک، مراحل مختلفی دارد که بصورت کلی به شرح زیر است:
آماده¬سازی 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 کثیفی¬ها 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 حفره¬دار تحت شرایط زیر انجام می¬شود:
فرایند آندایز در سلول الکتروشیمیایی که نمونه بعنوان الکترود آند و آلومینیوم معمولی بعنوان کاتد استفاده می¬شود، انجام می¬گیرد. برای الکترولیت مورد استفاده معمولاً از اسیدهای سولفوریک، اکسالیک، فسفریک و به ندرت کرمیک استفاده می¬گردد [9].
آندایز معمولاً تحت پتانسیل ثابت بین v200-20 و در دماهای پایین بین صفر تا 20 درجه¬ی سانتیگراد انجام شده و برای جلوگیری از گرم شدن نمونه، محلول اسیدی بشدت هم زده می¬شود تا همچنین رشد همگن اکسید متخلخل صورت گیرد [10].
1-4- پرکردن حفره¬ها به روش الکتروانباشت شیمیایی

سه روش جهت انباشت مواد مختلف داخل آلومینای حفره¬دار وجود دارد، که شامل انباشت بوسیله¬ی ولتاژ مستقیم، متناوب و پالسی می¬باشد.
الف) انباشت مستقیم که در این روش انباشت بدون نازک¬سازی لایه¬ی سدی بوده و آلومینیوم و لایه¬ی سدی برداشته شده، سپس یک لایه¬ی رسانا بر روی حفره¬های باز کشیده می¬شود و انباشت با ولتاژ مستقیم انجام می¬گیرد.
ب) انباشت تناوبی با نازک¬سازی لایه¬ی سدی، بطوری که کف حفره¬ها به فلز آلومینیوم نزدیک می¬شود، انجام می¬¬گیرد، که ولتاژ انباشت متناوب می¬باشد. زیرا لایه¬ی سدی بعنوان خازن الکترولیتی نشست¬دار و یکسوکننده عمل می¬کند.
پ) در انباشت بوسیله¬ی ولتاژ پالسی، به غیر از دو نیمه¬ی کاتدی و آندی در پتانسیل¬های موجی اعمال شده، یک مدت زمان تاخیر هم در نظر گرفته می¬شود که در این مدت پتانسیل قطع می¬باشد و یون¬ها بدرون حفره¬ها نفوذ می¬نمایند، که در نتیجه ساختار یکنواخت¬تری حاصل می¬گردد [11].

1-1- مقدمه¬ای بر نانوتکنولوژی…………………………………………….. 2
1-2- روش¬های ساخت آرایه¬ای از نانوسیم¬ها………………………… 3
1-3- ساخت قالب¬های حفره¬دار…………………………………………. 3
1-4- پرکردن حفره¬ها به روش الکتروانباشت شیمیایی………………….. 4
1-5- هدف از این پایان¬نامه………………………………………………….. 4

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل دوم: نانوفناوری

اصطلاح نانوتکنولوژی یا نانوفناوری بطور گسترده برای توصیف ویژگی¬ها و کاربردهای مواد در بازه¬ی 1 تا nm100 گفته می¬شود. مواد نانوساختار بعنوان ساختارهای کوچک با شکل، اندازه، ترکیب، حالت و کارکرد کنترل¬پذیر شناخته می¬شوند. از جمله این مواد شامل نانوذرات، نانولوله¬ها، نانوسیم¬ها، نانوفیلم¬ها و نقاط کوانتمی هستند.
مثالی از بخش¬ها یا صنایعی که تولیدات نانو استفاده می¬کنند شامل پوسته¬های سرامیک، لایه¬نشانی¬ها، ترکیبات، محصولات محافظ پوست، بیوتکنولوژی، نیمه¬هادی¬ها و فیلم¬های نازک هستند [12].
اساساً دو روش متفاوت برای ساختن ابزار یا ماشین¬های 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 اندازه¬ی کوچکترین شکل¬هایی که می¬توان ساخت بستگی به ابزارهایی دارد که به کار می¬روند [13].
روش دوم ساخت مواد با ابعاد نانوذرات، روش ” پایین به بالا” نامیده می¬شود، که در طی این روش ساخت، اتم¬ها و مولکول¬ها به طور خیلی دقیق کنار هم قرار می¬گیرند و هر جا که نیاز باشد، یک مجموعه¬ی خودانباشته و یا خودآرایش یافته¬ای را پدید می¬آورد. در اینجا واحدهای ساختمانی مولکولی یا اتمی طوری طراحی می¬شوند که به خوبی در کنار هم جای گیرند و بهم بچسبند تا اشیای بزر¬گتری را بسازند [14].
روش¬های پایین به بالا مواد را در مقیاس اتمی بصورت مجتمع¬سازی یا رشد از طریق پیش ماده¬ی جامد، مایع یا گاز با فرایندهای شیمیایی یا فیزیکی گردهم می¬آورد. در جدول (2-1) اکثر روش¬های بکار رفته در تولید نانومواد خلاصه شده است.
صنعت بالا به پایین دیدگاهی بسیار رایج است که امروزه برای تولید نانومواد استفاده
می¬شود. باور عمومی بر این است که این تکنیک¬ها خیلی بی¬صرفه¬تر از تکنیک¬های پایین به بالا هستند. اکثراً پیشنهاد می¬شود که روش¬های پایین به بالا ابزار نهایی برای تولید طولانی مدت باشند.

فراورده¬هایی با ویژگی¬های مقیاس نانو در یک بعد شامل فیلم نازک، روکش¬ها (جهت جلوگیری از خوردگی) و دیواره¬های کوانتمی از فیلم¬های نیمه¬هادی، فلز و دی¬الکتریک، فراورده¬های دو بعدی نامیده می¬شوند. این فراورده¬ها مشتمل بر اجزای مختلف وسایل الکتریکی و اپتیکی (شامل کامپیوتر، موبایل، لیزر، دیودهای نورگسیل و صفحات خورشیدی) و روکش¬های نازک نیمه¬هادی، فلزی و دی¬الکتریک هستند. اکثر این تولیدات ترکیبی از نیمه¬هادی¬هایی از قبیل سیلیکون، کربن، اکسید سیلیکون بعنوان عایق و آلومینیوم و مس بعنوان اتصال میان فلزی می¬باشند. بعضی ترکیبات دیگر نیز در اپتیک و فوتونیک کاربرد دارند.
ابعاد چنین وسایلی معمولاً با گذشت زمان پیروی مسیر قانون مور کاهش می¬یابد. قانون مور تعیین می¬کند که تعداد اجزا در تراشه¬های الکتریکی هر 24 ماه دو برابر می¬شود [15].
کوچکترین ابعاد در فراورده¬های نانوی یک بعدی به کوچکی nm5/1 رسیده است. انگیزه¬ی کاهش بیشتر اندازه، افزایش چگالی اجزا، کاهش قیمت و افزایش کارایی می¬باشد [4].
بهسازی می¬تواند به سه شکل زیر اتفاق بیفتد¬:
– افزایش چگالی اجزا (تعداد ترانزیستر بر مساحت سطح)
– مجتمع سازی نانوساختارهای جدید مانند نانولوله¬های کربن (CNTs) و نانوسیم¬ها
– ترکیب مواد جدید مانند استفاده از HfO2 بی¬شکل برای جایگزینی SiO2 در ترانزیسترها

2-2-2- فراورده¬های نانوی یک بعدی
فراورده¬های با ویژگی¬های مقیاس نانو در دو بعد که شامل مواد نانوساختار از قبیل نانولوله¬های یک دیواره یا چند دیواره، نانوسیم¬ها و نانومیله¬ها هستند، فراورده¬های یک بعدی نامیده می¬شوند، که نانوسیم¬ها خود انواع مختلفی شامل رسانا و نیم¬رسانا داشته و کاربردهای زیادی در صنعت پیدا نمونده¬اند.

2-2-3- فراورده¬های نانوی صفر بعدی
فراورده¬هایی با ویژگی¬های مقیاس نانو در سه بعد شامل نقاط کوانتمی، مانند فولرین¬ها ، پلیمرهای پرشاخه و نانوذرات را فراورده¬های سه بعدی گویند.
2-3- تجهیزات شناسایی نانومواد

برای شناسایی نانومواد و بررسی خواص ساختاری آن¬ها از دستگاه¬های مختلفی از جمله میکروسکوپ¬های الکترونی، پراش پرتوی ایکس (XRD)، طیف¬سنجی جرمی رامان و کروماتوگرافی استفاده می¬شود.
میکروسکوپ¬ الکترونی جهت شناخت خواص و ساختار نانومواد، یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین دستگاه‌هایی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. با میکروسکوپ¬های نوری تنها تا اندازه¬ی میکرون را مشاهده می¬کنند و برای بررسی و مطالعه¬ی نانوساختارها می¬توان از میکروسکوپ¬هایی مانند TEM ،SEM ، STM ،SPM ،AFM 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 بالا استفاده می‌شود.
برخورد الکترون با ماده همراه با اتفاقات مختلفی می‌باشد، که از مهم‌ترین آنها می‌توان به برخورد و تولید الکترون ثانویه¬ی 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.
روش¬های مختلفی برای تولید پرتوی الکترونی وجود دارد. در یکی از این روش¬ها پرتوی الکترونی از یک گسیل ترمویونیک به طور معمول از یک المان داغ که تا دمای حدود 2800 درجه¬ی کلوین گرم شده و اغلب از جنس تنگستن یا LaB6 است، تولید می¬شود. 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 بهره¬ی 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 مجموعه¬ی مورد استفاده عدسی مغناطیسی نامیده می‌شود) کانونی کرده و باریکه¬ی الکترونی مناسبی تولید کرد. در اثر برخورد باریکه¬ی الکترونی با ماده پدیده‌های متنوعی روی می‌دهد (شکل 2-1)، که مهمترین آنها عبارتند از جذب که الکترون در برخوردهای پی¬در¬پی تمام انرژی خود را به ماده منتقل می‌کند. اصولاً در برخورد الکترون با اتم¬ها دو نوع پراکندگی بوجود می¬آید، پراکندگی الاستیک که الکترون انرژی خود را از دست نمی¬دهد و فقط تغییر مسیر می¬دهد 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 مشخصه¬ی ماده است) نقش دارد، می¬باشد.

2-1- مقدمه……………………………………………………………………… 7
2-2- دسته¬بندی نانوساختارها………………………………………………. 8
2-2-1- فراورده¬های نانوی یک بعدی…………………………………………. 8
2-2-2- فراورده¬های نانوی دو بعدی………………………………………….. 9
2-2-3- فراورده¬های نانوی سه بعدی……………………………………….. 9
2-3- تجهیزات شناسایی نانومواد……………………………………………… 9
2-3-1- میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) ا……………………………….10
2-3-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)ا……………………………… 12
2-3-2-1- بزرگ¬نمایی………………………………………………………… 12
2-3-2-2- آماده¬سازی نمونه………………………………………………….. 12
2-3-3- میکروسکوپ روبشی تونل زنی(STM) ا………………………………..13
2-3-4- تولید و خواص اشعه¬ی ایکس………………………………………… 15
2-4- نانوسیم¬ها……………………………………………………………….. 17
2-4-1- انواع نانوسیم¬ها………………………………………………………. 17
2-4-2- کاربرد نانوسیم¬ها ………………………………………………………18
2-4-2-1- کاربردهای اپتیکی…………………………………………………… 18
2-4-2-2- کاربردهای الکترونیکی………………………………………………. 19
2-4-2-3- کاربرد الکتروشیمیایی……………………………………………….. 19
2-4-2-4- کاربردهای مغناطیسی………………………………………………. 19
2-4-2-5- کابردهای حسگری………………………………………………….. 20

فصل سوم:خواص الکتریکی مواد کپه¬ای و محدود شده

می¬دانیم که طبق جدول تناوبی، عناصر جامد به سه دسته¬ی رسانا، نیمه¬رسانا و نارسانا تقسیم می¬شوند. امروزه اکثر ادوات حالت جامد موجود در بازار از مواد نیمه¬هادی ساخته می¬شوند.
در این فصل خواص الکتریکی مواد، خصوصاً نیم¬رساناها در حالت کپه¬ای و سپس در حالتی که این مواد تبدیل به نانوساختارها بویژه نانوسیم¬ها می¬گردند، مورد بررسی قرار خواهد گرفت و اثر محدود شدن اندازه¬ی ذرات بر روی خواص فیزیکی خصوصاً الکتریکی را بررسی خواهیم کرد.
3-2- ساختار فضایی جامدات و شبکه¬های بلوری

آرایش فضایی اتم¬ها در درون هر ماده در تعیین خواص دقیق آن نقش عمده¬ای را ایفا می-کند. جامدات از لحاظ آرایش اتمی درونشان به سه دسته¬ی بزرگ تقسیم می¬شوند؛ یعنی بی-شکل، چند بلوری و تک بلوری. یک ماده¬ی بی¬شکل ماده¬ایست که در آن هیچ¬گونه نظم بلند بردی در موقعیت اتم¬ها یافت نمی¬شود. در یک آرایش تک بلوری، اتم¬ها در حالت سه بعدی منظم شده¬اند. با داشتن هر بخشی از ماده¬ی تک بلوری، می¬توان آرایش اتمی در هر قسمت دیگری از ماده را به آسانی بازسازی کرد. جامدات چند بلوری شامل یک حالت میانی هستند که در آن ماده¬ی جامد متشکل از بخش¬های کوچک¬تر بلورین است که از یکدیگر جدا شده¬اند و یا نسبت به هم نامنظم¬اند. در بررسی ادوات حالت جامدی که امروزه تولید می¬شوند هر سه ساختار مورد استفاده¬ قرار می¬گیرند، اما نیمه¬هادی¬های تک بلوری¬ کاربرد بیشتری دارند.
3-3- مواد نیمه¬هادی

اغلب نیمه¬هادی¬هایی که معمولاً مورد استفاده قرار می¬گیرند در جدول (3-1) فهرست شده-اند. گروه مواد نیمه¬هادی شامل نیمه¬هادی¬های تک عنصری از قبیل Si، نیمه¬هادی¬های مرکب از قبیل GaAs، و آلیاژها مانند GaAsXP1-X می¬باشد، که X کسری میان صفر و یک است. در میان بسیاری از نیمه¬هادی¬های شناخته شده، Si مهمترین آن¬ها بوده و در حال حاضر بازار تجاری را تحت سلطه دارد.

3-3-1- الگوی نوار انرژی نیمه¬هادی¬ها
اگر N اتم منزوی به مجاورت یکدیگر آورده شوند، انتظار اصلاحاتی در حالات انرژی الکترون-های ظرفیت نسبت به حالات الکترونی اتم¬های منزوی کاملاً معقول است. در تغییر حالت از N اتم منزوی به حالت بلوری، دقیقاً انرژی نیمی از حالات مجاز کاهش و انرژی نیمی دیگر افزایش می¬یابد.گذشته از این، اختلال باعث گسترش انرژی¬های مجاز می¬شود و دو ناحیه یا نوار از حالات مجاز انرژی تشکیل می¬دهد، که با یک شکاف انرژی میانی از هم جدا می¬شوند. نوار حالات مجاز بالایی، نوار هدایت و نوار حالات مجاز پایینی، نوار ظرفیت و شکاف انرژی میانی، شکاف یا نوار ممنوع نامیده می¬شود. البته الکترون¬ها در هنگام پر کردن حالات مجاز انرژی ابتدا به سمت پایین¬ترین انرژی¬های ممکن کشیده می¬شوند. با توجه به این ¬که حالات انرژی هر کدام انحصاراً با یک الکترون تنها اشغال می¬شوند (اصل طرد پاولی) و بخاطر اینکه بعنوان مثال اگر اتمی نیم¬رسانا مانند Si چهار الکترون ظرفیت داشته باشد، 4N حالت نوار ظرفیت فقط می¬توانند آن¬چه را که قبلاً 4N الکترون ظرفیت نامیده می¬شدند در خود جای دهند، در می¬یابیم که نوار ظرفیت تقریباً به طور کامل بوسیله¬ی الکترون¬ها پر شده است و نوار هدایت عاری از الکترون می¬باشد. در حقیقت در دماهای نزدیک به K00= T نوار ظرفیت کاملاً پر و نوار هدایت کاملاً خالی است.
همچنین برخلاف الکترون¬های ظرفیت در حالت اتم منزوی، الکترون¬های نوار ظرفیت در حالت بلور به هیچ اتم خاصی پیوند نخورده یا مربوط نمی¬شوند و تنها با اتم¬های همسایه به اشتراک گذارده می¬شوند. اختلاف پایین¬ترین انرژی ممکن در نوار هدایت ،EC و بالاترین انرژی ممکن در نوار ظرفیت،EV برابر EG=EC-EV اندازه¬ی نوار گاف انرژی می¬باشد. بدین ترتیب الکترون¬ها در داخل بلور در سطوح نواری جای می¬گیرند که ممکن است در باند ظرفیت و یا هدایت باشند، که با توجه به شرایط فیزیکی حاکم، تعداد آن¬ها در این باندها تغییر می¬کند.
اختلاف اصلی بین مواد در ماهیت نوارهای انرژی آن¬ها نیست، بلکه در اندازه¬ی نوار گاف انرژی آن¬ها است. عایق¬ها با شکاف انرژی بسیار پهن مشخص می¬شوند. بعنوان مثال EG برای الماس برابر ev5 است. انرژی حرارتی در دمای اتاق، الکترون¬های بسیار کمی را به نوار هدایت سوق می¬دهد و این مواد رسانای بسیار ضعیفی هستند. در فلزات گاف انرژی یا بسیار کوچک است یا در اثر هم¬¬پوشانی نوارهای ظرفیت و هدایت اصلاً گاف انرژی وجود ندارد. فلزات رساناهای بسیار خوبی بوده و انرژی حرارتی، حامل¬های بسیاری ایجاد می¬کند (حتی در دمای اتاق) .
برای نیمه¬هادی¬ها مقدار گاف انرژی بین این دو حالت بوده و بعنوان مثال در دمای اتاق برای Siداریمev 12/1= EG. تفاوت فلزات با نیمه¬رساناها این است که فلزات در دمای اتاق دارای حامل¬های کافی برای رسانندگی الکتریکی و گرمایی هستند، اما نیم¬رساناها تنها با دریافت انرژی کافی (حداقل برابر با EG) از بیرون، می¬توانند خواص رسانایی از خود نشان دهند.

3-1- مقدمه…………………………………………………………………. 22
3-2- ساختار فضایی جامدات و شبکه¬های بلوری…………………….. 22
3-3- مواد نیمه¬هادی…………………………………………………….. 23
3-3-1- الگوی نوار انرژی نیمه¬هادی¬ها………………………………. 23
3-4- برخی از خواص و تعاریف در حوزه¬ی رسانش مواد بالک……….. 24
3-4-1- خلوص……………………………………………………………… 24
3-4-2- حامل¬ها………………………………………………………….. 24
3-4-3- جرم موثر………………………………………………………….. 25
3-4-4- مسافت آزاد میانگین…………………………………………….. 25
3-4-5- سطح فرمی و پارامترهای مرتبط با آن…………………………. 26
3-4-6- چگالی حالات سیستم………………………………………….. 27
3-4-7- مقاومت الکتریکی………………………………………………… 28
3-4-7-1- علت مقاومت………………………………………………….. 29
3-4-7-1-1- در فلزات……………………………………………………… 29
3-4-7-1-2- در نیمه¬هادی¬ها و عایق¬ها…………………………… 29
3-4-7-1-3- در مایعات یونی/الکترولیت¬ها …………………………….30
3-5- برخی از خواص و تعاریف در حوزه¬ی رسانش در مواد با مقیاس ریز 30
3-5-1- چگالی حالات سیستم¬های نانومقیاس……………………… 30
3-5-2- مقاومت در مقیاس¬های ریز……………………………………. 31
3-5-3- رسانش در سیم¬های ریز……………………………………… 32
3-5-3-1- رسانش در نانوسیم¬ها در ناحیه¬ی با اثرات کوانتمی….. 32
3-5-3-2- پیشینه¬ی محاسبه¬ی رسانندگی در ابعاد ریز نزدیک به
مسافت آزاد میانگین……………………………………………………… 33.
3-5-3-3- رسانش در نانوسیم¬های بس¬بلور با ابعاد نزدیک
به مسافت آزاد میانگین…………………………………………………….. 34
3-5-3-4- اندازه¬گیری تجربی مقاومت ویژه¬ی نانوسیم طلا…………. 36
3-5-3-5- محاسبات نظری مقاومت ویژه¬ی نانوسیم¬ها……………… 37
3-5-3-6- محاسبات تئوری مقاومت ویژه¬ی نانوسیم طلا…………….. 39
3-5-4- نانوسیم¬های نیمه¬هادی……………………………………….. 41
3-5-4-1- نانوسیم ZnO ا……………………………………………………42

فصل چهارم: نانوحفره و کاربردهای آن

در فصول قبل به بررسی نانوسیم¬ها و کاربردهای آن¬ها در رشته¬های مختلف تکنولوژی و صنعت پرداختیم.
روش¬های مختلفی برای ساخت آرایه¬ای از نانوسیم¬ها وجود دارد که به بعضی از آنان اشاره کردیم.
در این فصل می¬خواهیم به بررسی کامل¬تر یکی از روش¬های سنتز قالب بپردازیم.
گفته شد که لیتوگرافی یکی از روش¬های مناسب جهت تولید نانوساختارها می¬باشد که بدلیل وجود ماسک، نظم بالایی از ساختار را به ما خواهد داد، اما بدلیل قیمت بالای تجهیزات ماسک، برای خیلی از تحقیقات غیرقابل استفاده می¬باشد.
سنتز قالب روشی جالب و ارزان و تکنیکی ساده جهت تولید بسیاری از نانوساختارها می¬باشد، که می¬تواند جایگزین مناسبی برای روش¬های لیتوگرافی گردد. تنوع این روش در ارائه¬ی قالب، مواد، الگوها، نرخ نظم و ویژگی¬های اندازه بر اهمیت آن افزوده است.
دو نوع از قالب¬ها در این روش توجه بیشتری را به خود جلب کرده¬اند که شامل پوسته¬های
اثر سونش پلیمری و پوسته¬های آلومینای آندیک متخلخل می¬شود. ناگفته نماند از مزیت¬های روش لیتوگرافی تنوع بیشتر در انتخاب زیرلایه نسبت به پوسته¬های متخلخل می¬باشد.
از تفاوت¬های دیگر دو روش وجود بازه¬ای محدود از نظم در نانوساختارهای تهیه شده به روش سنتز قالب نسبت به لیتوگرافی است.
هدف این فصل بررسی پوسته¬های آلومینای آندیک متخلخل می¬باشد.

4-2- آندایز آلومینیوم

همه¬ی مواد موجود در طبیعت قابلیت آندایز شدن را ندارند و تنها چند ماده شامل آلومینیوم، تیتانیوم، سیلیسیوم، نئوبیم، هافنیوم، زیرکنیوم، قلع، ایندیوم فسفید و اندکی دیگر از مواد در طی این فرایند تغییر شکل داده و ساختاری نانویی پیدا می¬کنند.
در این میان آندایز آلومینیوم بعلت کاربردهای تجاری رونق بیشتری پیدا کرده است.
در این روش نانوساختارهای منظم شامل سلول¬های درون بست با آرایش شش¬گوشی و با نانوحفره¬هایی در مرکز سلول با جزئیاتی که در ادامه ذکر خواهد شد تولید می شوند.
از جمله کاربردهای متنوع آلومینیوم آندایز شده یا به اصطلاح آلومینا تولید فیلم دی¬الکتریک برای استفاده در خازن¬های الکترولیتی، افزایش مقاومت اکسیدی فلزات و غیره است [81].

ساختار آلومینای آندایز شده¬ی متخلخل (ب) سطح مقطع لایه¬ی آندایز شده

ساختار آلومینای آندایز شده¬ی متخلخل (ب) سطح مقطع لایه¬ی آندایز شده

4-1- مقدمه…………………………………………………………………….. 44
4-2- آندایز آلومینیوم……………………………………………………………. 45
4-3- انواع فیلم اکسیدی آندیک………………………………………………. 45
4-4- ساختار کلی آلومینای آندیک متخلخل………………………………….. 46
4-5-سینتیک ساخت آلومینای آندیک متخلخل خود نظم یافته…………….. 47
4-5-1- آندایز در رژیم¬های جریان ثابت و پتانسیل ثابت…………………….. 47
4-5-2- نرخ رشد و انحلال فیلم اکسیدی…………………………………….. 49
4-5-3- آندایز به روش سخت و نرم……………………………………………. 50
4-5-4- آندایز پالسی آلومینیوم………………………………………………… 52
4-6- مکانیسم رشد فیلم متخلخل در حضور میدان…………………………. 54
4-7- رشد حالت پایدار آلومینای متخلخل ……………………………………….56
4-8- قطر حفره…………………………………………………………………… 57
4-9- فاصله¬ی بین حفره¬ای………………………………………………….. 58
4-10- ضخامت دیواره ……………………………………………………………..59
4-11- ضخامت لایه¬ی سدی…………………………………………………… 60
4-12- تخلخل……………………………………………………………………. 60
4-13- چگالی حفره…………………………………………………………….. 61
4-14- رشد خود شکل¬یافته و رشد با الگو هدایت شده ی آلومینای متخلخل با
نظم بالا…………………………………………………………………………. 62
4-15- آندایز دو طرفه………………………………………………………….. 65
4-16- بهم زدن محلول حین آندایز…………………………………………… 66
4-17- مراحل پیش آندایز……………………………………………………… 66
4-17-1- چربی¬زدایی نمونه………………………………………………… 66
4-17-2- آنیل کردن نمونه……………………………………………………. 67
4-17-3- پالیش کردن نمونه…………………………………………………… 67
4-18- مقاومت لایه¬ی سدی………………………………………………… 68
4-19- مراحل پس از آندایز…………………………………………………… 68
4-19-1- حل کردن آلومینیوم پشت نمونه………………………………….. 68
4-19-2- برداشتن لایه¬ی سدی…………………………………………… 69
4-19-3- نازک¬سازی لایه¬ی سدی………………………………………. 70
4-20- ساخت نانوساختارها به¬کمک قالب AAO ا…………………………70
4-20-1- نانونقاط، نانوسیم¬ها و نانولوله¬های اکسید فلز………………. 72

فصل پنجم: روش¬های تولید نانوساختارها

در فصول گذشته مطرح گردید که دو دیدگاه مختلف درباره¬ی تولید مواد وجود دارد؛ یکی دیدگاه از بالا به پایین و دیگری پایین به بالا. مثال¬های روش بالا به پایین شامل ساخت مدارهای مجتمع با استفاده از یک زنجیره از مراحل از قبیل رشد بلور، لیتوگرافی، سونش یا اچ کردن، القای یونی و غیره و مثال¬هایی از روش پایین به بالا نیز شامل تکنولوژی سل-ژل، الکتروانباشت، انباشت فیزیکی و شیمیایی بخار (PVD، CVD)، فرساب لیزری و غیره هستند.
در این فصل روش¬های تولید نانوساختارها که مهمترین آن¬ها تولید نانوحفره¬ها و نانوسیم¬ها است، بویژه از روش الکتروانباشت شیمیایی بررسی خواهد شد.

5-2- فرایند لیتوگرافی و محدودیت¬ها

بخش بزرگی از علم تابش و مهندسی درگیر با ساختارهای مزوسکوپی در دهه¬ی گذشته
استفاده از تکنیک¬های لیتوگرافی را امکان¬پذیر کرده¬اند [143].
لیتوگرافی یک روش چاپ است که از فرایندهای شیمیایی برای تولید یک تصویر استفاده می¬کند. دو نوع فرایند لیتوگرافی وجود دارد که در صنعت سیلیکون استفاده می¬شود. یکی از آن¬ها فوتولیتوگرافی و دیگری بعنوان لیتوگرافی پرتوی الکترونی نامیده می¬شود. فرایند فوتولیتوگرافی از نور برای انتقال یک الگوی هندسی از یک ماسک نوری یا فوتوماسک به یک ماده¬ی شیمیایی حساس به نور (فوتومقاوم) بر روی زیرلایه استفاده می¬کند. بسته به طرح روی ماسک نوری، ساختارهای مختلف می¬توانند بر روی زیرلایه تولید شوند که در ادامه برای ایجاد ابزار فوتونیکی و الکترونیکی بر پایه¬ی سیلیکون استفاده می¬شوند.
از سوی دیگر لیتوگرافی پرتوی الکترونی فرایند استفاده از پرتوی الکترون¬ها برای تولید طرح¬هایی روی یک سطح است. از مزایای اصلی این روش این¬که از راه¬های تداخل محدوده¬ی پراش نور و ایجاد ویژگی¬هایی در رژیم زیر میکرومتر استفاده می¬کند. بعلت سرعت خیلی کم این نوع از لیتوگرافی، هنوز از لحاظ تکنیکی در حال استاندارد شدن در صنعت می¬باشد، اما کاربرد گسترده¬ای در تحقیقات یافته است. با این حال این نوع از لیتوگرافی کابرد گسترده¬ای در تولید ماسک برای ماسک¬های استفاده شده در فوتولیتوگرافی و تولیدات کم¬ حجم ترکیبات نیمه¬هادی پیدا کرده است. چنین سیستم¬هایی پهناهای خطی در حدود nm20 ایجاد می¬کنند. اما به نظر می¬رسد که این تکنیک¬ها درحال نزدیک شدن به محدوده و کران خود برای تولید نانوساختارهای D1 و D0 (یک بعدی و صفر بعدی) هستند. از این رو دیدگاه¬های غیرلیتوگرافی تولید نانوساختارها نیاز فعلی می¬باشند.

5-1- مقدمه……………………………………………………………………. 74
5-2- فرایند لیتوگرافی و محدودیت¬ها……………………………………… 74
5-3- روش¬های غیرلیتوگرافی……………………………………………… 75
5-3-1- انباشت بخار فیزیکی(PVD) ا…………………………………………76
5-3-1- 1- کند و پاش………………………………………………………… 76
5-3-1-2- تبخیر پرتوی الکترونی……………………………………………… 76
5-3-2- انباشت بخار شیمیایی(CVD)ا…………………………………….. 77
5-3-3- انباشت سل-ژل……………………………………………………… 77
5-3-4- انباشت الکتروفورتیک (EPD)ا………………………………………. 77
5-3-5- انباشت الکتروشیمیایی……………………………………………. 78
5-3-6- انباشت لیزر پالسی (PLD) ا………………………………………..78
5-4- روش¬های ساخت آرایه¬ای از نانوسیم¬ها…………………….. 79
5-4-1- اصول کلی انباشت الکتروشیمیایی……………………………… 79
5-4-2- روش¬های مختلف الکتروانباشت……………………………….. 80
5-4-2-1- آندایز با ولتاژ مستقیم…………………………………………… 81
5-4-2-2- انباشت با ولتاژ تناوبی………………………………………….. 81
5-4-2-3- انباشت با ولتاژ پالسی…………………………………………..83
5-4-3- شرایط تاثیر گزار بر الکتروانباشت………………………………… 84
5-4-4- الکتروانباشت آرایه¬های نانوسیم چندلایه……………………… 85
5-4-5- الکتروانباشت نانوسیم¬های نیمه¬هادی¬……………………. 86

فصل ششم: روش کار

6-1- تهیه¬ی نمونه¬ها بعنوان قالب…………………………………………. 88
6-1-1- مراحل پیش آندایز……………………………………………………….. 88
6-1-1-1- انتخاب نمونه¬ی اولیه……………………………………………… 88
6-1-1-2- تمیز کردن نمونه……………………………………………………. 89
6-1-1-3- بازپخت نمونه……………………………………………………….. 89
6-1-1-4- پالیش کردن نمونه¬………………………………………………… 89
6-1-2- آندایز نمونه…………………………………………………………….. 92
6-1-2-1- سوار کردن نمونه……………………………………………………. 93
6-1-2-2- خنک کردن نمونه……………………………………………………. 93
6-1-2-3- آندایز در V130 ا……………………………………………………….94
6-1-2-4- آندایز در v86 ا…………………………………………………………95
6-1-2-5- حل کردن آلومینا……………………………………………………. 95
6-1-2-6- آندایز در 104 و v8/68 ا…………………………………………….96
6-1-3- مراحل پس از آندایز…………………………………………………. 96
6-1-3-1- نازک¬سازی نمونه……………………………………………….. 99
6-1-3-2- گشاد کردن حفره¬ها …………………………………………….99
6-1-3-3- حل کردن لایه¬ی آلومینیوم…………………………………….. 100
6-1-3-4- باز کردن ته حفره¬ها…………………………………………… 100
6-2- انباشت در قالب…………………………………………………….. 100
6-2-1- الکتروانباشت به روش مستقیم……………………………………… 100
6-2-1-1- آماده¬سازی نمونه جهت انباشت مستقیم…………………….. 100
6-2-1-2- روش کار…………………………………………………………….. 102
6-2-2- الکتروانباشت به روش تناوبی………………………………………. 102
6-2-2-1- آماده¬سازی نمونه جهت انباشت تناوبی……………………….. 103
6-2-2-2- روش کار………………………………………………………………. 103
6-2-2-2-1- الکتروانباشت نانوسیم¬های Sn ا………………………………..104
6-2-2-2-2- الکتروانباشت نانوسیم¬های Zn ا……………………………….106
6-2-2-2-3- الکتروانباشت نانوسیم¬های نقره……………………………… 109
6-2-2-2-4- الکتروانباشت نانوسیم¬های Ag/Zn ا……………………………111
6-2-3- الکتروانباشت به روش پالسی…………………………………………. 113
6-2-3-1- آماده¬سازی نمونه جهت انباشت پالسی………………………… 113
6-2-3-2- روش کار…………………………………………………………………113
6-2-3-2-1- الکتروانباشت پالسی نانوسیم¬های Zn ا……………………….113
6-3- آماده¬سازی نمونه¬ها جهت تهیه¬ی تصویر SEM ا……………………116
6-4- آماده¬سازی نمونه¬ها جهت تهیه¬ی تصویر XRDا…………………… 117
6-5- اکسید کردن نمونه¬ها………………………………………………….. 118
6-6- مقاومت¬سنجی نمونه¬ها……………………………………………… 120
6-6-1- مقاومت¬سنجی بدون انحلال لایه¬ی سدی……………………… 120
6-6-2- مقاومت¬سنجی با انحلال لایه¬ی سدی از روی کا.ر…………….. 120
6-6-3- مقاومت¬سنجی با انحلال لایه¬ی سدی از پشت کار…………… 121
6-7- تخمین مقدار مقاومت تقریبی تک نانوسیم Zn ا………………………..125

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل هفتم: بحث و نتیجه گیری

بحث و نتیجه¬گیری……………………………………………………………….. 128

فهرست منابع و مأخذ………………………………………………………………..131

Abstract

In this thesis we first introduce nanotechnology and then we consider nanowires theoriticaly and experimentaly and explain how to measure electrical resistance in tiny wires. We also review some methods to produce nanostructures and in particular explain the structure and how to produce porous anodic alumina templates. Then using the facilities in coating lab of physics department in Shiraz University, we use this templates for nanowires formation. We produce this templates in different conditions such as various electrolytes and anodization voltages and use electrochemical deposition to produce nanowire in pores of templates.Three methods of electrochemical deposition used here applying dc, ac and pulsed voltage. We test all three methods and succeed to produce Ag, Zn, Sn and Ag-Zn nanowires. Then we check the results with SEM microscopic images and analysis of x-rays (XRD). Also with placing the Zn and Sn samples in furnace, switch the action of oxidation and supply diffraction pattern of ZnO and SnO2 nanowires too. We also investigate the possibility of preparation of electrical resistance from nanowires array in the template. For this purpose we insert electrical connection on both sides of templates containing Zn nanowires and record resulting values. Also we do calculations to find electrical resistivity of each Zn nanowire after oxidation in 3000c and present approximate value for ZnO nanowires resistance.



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان