دانلود فرمت word : دانلود پروژه كاربرد نانوفناوري در صنايع الكترونيك — قسمت اول

دانلود پایان نامه

مقدمه:
تفاوت میان خواص مواد در مقیاس نانو و توده¬ای در حوزه¬های مختلف علوم و مهندسی مورد مطالعه محققان قرار گرفته می باشد. در این فصل پس از معرفی مختصر ضرورتهای فنّاوری نانو، بعضی از این ویژگیهای متفاوت که دانستن آنها در درک مطالب بعدی این پایان¬نامه ضروری می باشد، معرفی می¬شوند. موضوع دیگر این فصل ارائۀ یک دسته¬بندی کامل از روشهای گوناگون تولید نانوذرّات می باشد. همچنین برای فراهم آوردن امکان مقایسه بین روشهای شیمیائی تولید نانوذرّات CdS، چند روش گزارش شده از آنها معرفی می¬گردد. در این فصل کلیّاتی از روش شیمیائی مهار کردن که در این پایان¬نامه از آن برای تولید نانوذرّات CdS و CdS:Ni بهره گیری می¬گردد نیز معرفی خواهد گردید.

نکته مهم : برای بهره گیری از متن کامل پژوهش یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه دانلود کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و پژوهش دانشگاهی در رشته های مختلف می باشد که می توانید آن ها را به رایگان دانلود کنید
1-1- نانو فنّاوری
در حال حاضر علوم بدون کمک گرفتن از فنّاوری نانو، قدرت جوابگوئی به نیازهای روز افزون بشر را ندارند. علی رغم رشد قابل ستایشِ شاخه¬های مختلف علوم، دانشمندان با چالشهای اساسی نیز روبرو هستند. برای مثال رايانه¬ها با وجود نزديك شدن به سرعتهاي بحراني پردازش، با توقعات بشر همخوانی ندارند. در داروسازی، داروها عوارض جانبی شدید به همراه داشته و بعضی نیز به دليل نامحلول و يا كم¬محلول بودن در خون از چرخۀ مصرف كنار گذاشته می¬شوند. از این گونه معضلات، در بخشهای دیگر علوم نیز به وفور نظاره می¬گردد. فنّاوری نانو برای غلبه بر این چالشها، قابليتهای فراوانی را به بشر عرضه نموده می باشد.
در پزشکی به کمک این فنّاوری، نانوذرّاتي ابداع شده که به توزيع آسان دارو در قسمتهاي مختلف بدن کمک مي‌کند. در پوشش‌ زخمهاي خاص نظير زخمهاي سوختگي، از بعضی نانوذرّات به‌ عنوان عامل ضدميكروب، ضدالتهاب و التيام‌بخش بهره گیری مي‌گردد. غذاهاي غني‌شده نیز بوسیله این فنّاوری تولید شده¬اند[5-1] و ….

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را در شماره بندی انتهای صفحه بخوانید              

در حوزۀ نانو مواد، به دلیل اینکه مواد حجیمی که از ترکیبات نانوساختار تشکیل شده¬اند از نظر مقاومت در برابر خوردگی، کشسانی و ایمنی در برابر آتش سوزی، مزیّتهای قابل ملاحظه¬ای نسبت به مواد دیگر دارند، دانشمندان به دنبال چنین نانوساختارهای سبك و مقاوم در برابر حرارت هستند که براي هواپيماها، راكتها، ايستگاه‌هاي فضايي و …. مورد نياز می¬باشند. برای مثال، ساخت موادي که يک ششم چگالی فولاد را دارند اما مقاومت آنها 50 الي 100 برابر فولاد می باشد، یکی از موفقیّتهای پژوهشگران در این زمینه است[5].
در صنايع الکترونيک، توليد کامپيوتر‌هاي سريع‌ موسوم به کامپيوترهاي کوانتومي، تراشه‌هاي حافظه با اندازه نانو که هزاران برابر تراشه¬های فعلي قدرت ذخيره‌سازي دارند و… مدنظر هستند. شركت سامسونگ، توسعه نيمي از محصولات ساخته ‌شده توسط اين شركت را به دليل نوآوريهاي ناشي از نانوذرّات نقره می¬داند[3]. به جرأت می¬توان گفت: فنّاوری نانو (NT) به همراه فنّاوری اطلاعات (IT) و پروژه ژنوم انساني (BT) همزمان شكل دهنده سوّمين انقلاب صنعتي جهان هستند[6-1].

1-2 نانوذرّات
باورها بر این می باشد که سهم زیادی از توفیق نانوتکنولوژی در بهبود آینده بشر، به حوزه نانوذرّات تعلق خواهد داشت. نانوذرّات(حبس حاملهای بار در سه بعد) که به صورتهای گوناگون دسته بندی می¬شوند( فلزّی، نیم¬رسانا، پوسته- هسته و …)، به همراه سیمهای کوانتومی (حبس حاملهای بار در دو بعد) و لایه¬های نازک یا چاه¬های کوانتومی (حبس حاملهای بار در یک بعد) تشکیل ¬دهندۀ نانومواد هستند[7].
شکل1-1) طریقه حبس حاملهای بار در نانو مواد[8].

نانوذرّات که از آنها به عنوان نانوبلورها ، نانوخوشه¬ها و نقاط کوانتومی هم یاد می¬گردد، در مقایسه با مادّۀ حجیم خودشان، خواص متفاوتی بروز می-دهند. این خواص منحصر به فرد، قابلیتهای فراوانی را برای بهره¬برداری از آنها در اختیار دانشمندان قرار داده می باشد. در ادامه، بعضی از این ویژگیها و منشأهای آنها معرفی می¬گردد.

شما می توانید مطالب مشابه این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید                     

1-3 خواص تابع اندازه نانوذرّات
مطالعه و پژوهش در مورد نانوذرّات به این دلیل که فرصتی برای درک خواص فیزیکی مواد با ابعاد کاهش یافته و همچنین مطالعه خواص سطوح به شمار می¬آید از موضوعات جالب و مورد علاقۀ محققان از دو دهۀ پیش تاکنون بوده می باشد[12-9]. مهمترین ویژگی نانوذرّات، تابع اندازه بودن خواص آنها می باشد. هنگامی که اندازه ذرّات به یک مقدار بحرانی برسد، خواصی نظیر خواص ترمودینامیکی، مغناطیسی، مکانیکی، ساختاری، نوری و الکتریکی آنها دچار تغییر و تابع اندازه می¬شوند. برای مثال، نقطه ذوب ذرّاتCdS و طلا با کوچک شدن اندازه¬شان کاهش می¬یابد(شکل1-2 “الف” و “ب”). می¬توان وضعیّت ظرفیت گرمائی هلیوم مایع و هلیوم هنگامی که در خوشه¬های 64 اتمی می باشد را در شکل1-2 “ج” نظاره نمود. بعضی دیگر از کمیتهای ترمودینامیکی نظیر انرژی چسبندگی، ظرفیت گرمایی، طول و قدرت پیوند و… نيز تابع اندازه هستند[13].
شکل1-2) وابستگی خواص ترمودینامیکی به اندازه¬ نانوذرّات. شکل (الف) و (ب) نمودار دمای ذوب نانو ذرّات طلا[14] و CdS[15] برحسب اندازه ذرّات¬ و شکل (ج) ظرفیت گرمائی هلیوم مایع و هلیوم در خوشه¬های 64 اتمی[16] را نشان می¬دهد.
خواص الاستیکی و پلاستیکی نانوذرّات نیز به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار زیاد، در مقایسه با حالت حجیم بهبود می¬یابد و همچنین سختی¬شان افزایش پیدا می¬کند. به عنوان مثال، نانوذرّات مس با قطر تقریبیnm 6 تا پنج برابر از ذرّات با قطر nm50 سخت¬ترند و یا در مورد Pb، ذرّات با اندازه 7 نانو¬متر از ذرّات صد نانومتری تا صد بار استحکام بیشتری دارند[17].
خواص مغناطیسی نانوذرّات نیز تابع اندازه است. بر اساس گزارش نیل اگر یک ماده تک حوزه، به اندازه کافی کوچک باشد، نوسانات گرمایی می¬توانند باعث شوند که جهت مغناطش آن نوعی چرخش براونی را متحمل گردد. پس (مقدار میدان مورد نیاز برای برگرداندن سیستم از حالت مغناطیده با مغناطش M به حالت عادی) برای ذرّات کوچک صفر می¬گردد زیرا نوسانات گرمایی مانع وجود یک مغناطش ثابت می¬شوند. این حالت را سوپر پارامغناطیس می¬نامند زیرا چنین موادی همانند یک ماده پارامغناطیس با M بزرگتر رفتار می¬کنند. مثلاً نانوذرّات اکسید آهن با اندازهnm 1.7 در یک پوشش پلیمری از خود خواص سوپر پارامغناطیس نشان می-دهند[18].
وابستگی خواص نوری نانوذرّات نیم¬رسانا به اندازه¬شان، موضوع تحقیقات گسترده محققان از دو دهۀ پیش تاکنون بوده می باشد. ذرّات نیم¬رسانائی که شعاع آنها از یک مقدار بحرانی کمتر باشد، خواص نوری متفاوت با حالت حجیم و تابع اندازه از خود بروز می¬دهند. آزمایشهای فراوان ثابت کرده می باشد که طول موج شولدر طیف جذبی نانوذرّات نیم¬رسانا، با کاهش اندازه،¬ به طرف طول موجهای کوچکتر جابجا می¬گردد[19]. به بیانی دیگر، با کاهش اندازه نانوذرّات نیم¬رسانا، گاف انرژی¬شان افزایش پیدا می¬کند. خواص نوری غیر خطی نانوذرّات نیز با مواد توده¬ای تفاوت دارد[20]. همچنین طول موج بیشینه طیف گسیلی نانوذرّات نیز تابع اندازه می-باشد[21].
این حقیقت(وابستگی خواص نوری به اندازه)، نانوذرّات نیم¬رسانا را کاندیدای کاربرد در فوتوکاتالیستها، حسگرها، نمایشگرهای تخت، قطعات اپتوالکترونیک، کامپیوترهای کوانتومی، سلولهای خورشیدی و … کرده می باشد[26-22]. بهره¬گیری از این خواص منحصر به فردِ نانوذرّات در دیودهای نوری و برچسب گذاریهای بیولوژیکی، مانند موفقیّتهای اخیر پژوهشگران می باشد[28-27].

1-٣-1 آلائیدن نانوذرّات
یکی از کارهائی که به گونه معمول در مورد نیم-رساناها انجام می¬گیرد، آلائیدن آنها با عناصر دیگر به قصد بهبود خواصشان می باشد. برای مثال هنگامی که Ge و Si را با عنصر پنج و یا سه ظرفیتی به مقدار کم آلایش -دهند، رسانندگی آنها افزایش پیدا کرده و اصطلاحاً نیم-رساناهای نوع n و p تشکیل می¬گردد. این نوع آلائیدن، نیم¬رساناها را برای تراشه¬ها و قطعات الکترونیکی مناسب می¬کند. دلیل اینکه در این قسمت به موضوع آلائیدن نیم¬رساناها تصریح گردید، اظهار این مزیّتِ نانوذرّات نیم¬رسانا می باشد که علاوه بر مؤلفه اندازه، از مؤلفه آلایش نیز می¬توان به خوبی برای بهبود خواص آنها بهره برد. آلائیدن نانوذرّات نیم¬رسانائی که معمولاً کاربردهای نوری دارند(مانند نیم¬رساناهای گروه II-VI) به بهینه شدن خواص نورتابی¬شان می¬انجامد[29]. این کار باعث شده تا نانوذرّات نیم¬رسانا به عنوان دسته جدیدی از مواد نورتاب مطرح شوند. برای مثال، آلائیدن نانوذرّات نیم-رسانای CdS با بعضی از فلزّات واسطه، خواص نورتابی آن را تحت تأثیر قرار می¬دهد. چندین گزارش مبنی بر آلائیدن نانوذرّات CdS با عناصر واسطه مانند Mn هست که افزایش گردیدّت بیشینه طیف گسیلی را به همراه داشته می باشد[30]. آلائیدن نانوذرّات اگر از مقدار خاصی بیشتر گردد، به افت گردیدّت بیشینه طیف گسیل می¬انجامد[31] که در فصل آینده با عنوان قفل سیستم به آن تصریح می-گردد.

1-4 ساختار نواری نانوذرّات
در گذار از فاز حجیم به فاز نانو، نوارهای انرژی مواد دچار تغییر می¬گردد. برای درک بهتر و نیز شناسائی منشأ این تغییر، گذار عنصر سدیم از فاز اتمی به فاز حجیم به گونه کیفی مورد مطالعه قرار می¬گیرد[32].
ترازهای انرژی اتم سدیم که دارای پیکربندی است، در طرحواره شکل 1-3 “الف” نشان داده شده می باشد. هنگامی که اتمها از یکدیگر دور هستند، الکترونها، پتانسیل کولنی دیگری را احساس نمی-کنند. از طرفی ترازهای انرژی در هر تک اتم، بر اساس اصل طرد پائولی، تبهگنی دو گانه دارند. به این معنا که هر الکترون دارای یک همتا با ساختار انرژی دقیقاً یکسان می باشد. وقتی دو اتم به یکدیگر نزدیک شوند این تبهگنی به خاطر اندرکنش متقابل میانشان از بین می¬رود و هر کدام از ترازها به یک دو¬تائی تبدیل می-گردند(شکل1-3 “ب”).
شکسته شدن تبهگنیها، با در کنار یکدیگر گرفتن اتمهای بیشتر، ادامه می¬یابد و در نهایت هنگامی که تعداد اتمها به مقدار N بسیار بزرگ می¬رسد( ) این ترازهای شکسته شدۀ بسیار زیاد، یک نوار انرژی را تشکیل می¬دهند(شکل1-٣ “ج”) دراین صورت ساختار نواری پیوسته در یک بلور حجیم تشکیل می¬گردد.
این بحث کیفی، نقطه عزیمتی برای درک وضعیت نانوبلورها می باشد. درنانوبلورها زیرا N(تعداد اتمهای تشکیل دهنده آنها) عدد بزرگی نیست(رجوع گردد به 1-10)، ساختار نوارهای انرژی از یک طرف به بلورهای حجیم که مناطق ممنوعه انرژی دارند و از طرف دیگر به مولکول که دارای ترازهای گسسته¬ می باشد شبیه است.
شکل1-3)طرحواره ای از ترازهای انرژی در اتم سدیم(الف)، دو اتم سدیم نزدیک به هم(ب) و N اتم سدیم نزدیک به یکدیگر(ج)[32].

در فصلهای آینده هنگامی که طیف جذب و گسیل نوری نانوذرّات مورد مطالعه قرار می¬گیرد به مواردی برخورد می¬گردد که تنها با دانستن درک صحیح از وضعیت ترازهای انرژی قابل توجیه می باشد. تشکیل شدن قلّه در طیف جذب و تیزتر شدن آن با کوچک شدن اندازه(کاهش تعداد اتمها) مانند این موارد هستند.
برای شناخت بهتر از ترازهای انرژی فلزّات، در شکل1-4 وضعیت ترازهای زنجیرۀ 1 تا 10 تائی از اتمهای Cu نشان داده شده می باشد[33]. با افزایش تعداد اتمها و با شکسته شدن تبهگنی ترازها، تمایل ترازها برای تبدیل شدن به نوار انرژی و همچنین تغییر شکاف بین بالاترین تراز اشغال شده و پائین تراز اشغال نشده قابل نظاره می باشد.

شکل1-4)ترازهای اشغال شده(خطوط پیوسته) و اشغال نشدۀ(نقطه چین) زنجیره¬ای از اتمهای Cu[33].

1-5 اکسیتون در نانوذرّات
در نیم¬رساناهای حجیم، هنگامی که انرژی فوتون فرودی از انرژی گاف نواری بزرگتر باشد جفت الکترون و حفره آزاد تولید می¬گردد. در دمای معمولی، جدائی الکترون و حفره تا آنجا که هیچ جاذبه¬ای بین آنها احساس نگردد ادامه می¬یابد و می¬توان در نهایت آنها را به گونه مستقل فرض نمود. اگر انرژی فوتون فرودی اندکی از انرژی گاف نواری کمتر باشد الکترون و حفره می-توانند به یکدیگر نیروی کولمبی وارد کنند و شبه ذرّه سوّمی به نام اکسیتون را تشکیل دهند. این جفت الکترون و حفره، ترازهای هیدروژن مانندی را در منطقه ممنوعه بلور ایجاد می¬کنند. اکسیتون با حرکت خود در بلور انرژی حمل می¬کند اما نمی¬تواند بار الکتریکی حمل نماید.
بسته به نوع پیوند الکترون و حفره، اکسیتون به دو نوع فرانکل و وانیر دسته¬بندی می¬گردد[34]. در حالتی که فاصله الکترون و حفره در مقایسه با ثابت شبکه بزرگ باشد، اکسیتون پیوند ضعیف داشته و “وانیر” نام دارد. درهنگامی که جدائی الکترون و حفره در مقایسه با ثابت شبکه کوچک باشد یعنی بین الکترون و حفره پیوند قوی مستقر باشد اکسیتون “فرانکل” نامیده می-گردد. اکسیتون وانیر به اتم هیدروژن شبیه می باشد. پس مشابه اتم هیدروژن، این اکسیتون بوسیله شعاع بوهر توصیف می¬گردد:

که ثابت دی الکتریک می باشد و و جرمهای مؤثر الکترون و حفرۀ نیم¬رسانای حجیم هستند. این شعاع برای نیم¬رساناهای گوناگون متفاوت می باشد. در جدول زیر بعضی از خصوصیات چند نیم¬رسانای مهم مانند شعاع بوهر اکسیتون آنها نشان داده شده می باشد. رفتار نیمه¬هادیها بوسیله شعاع بوهر اکسیتون توجیه می¬گردد.

جدول1-1) معرفی بعضی خصوصیات از چند نیم¬رسانای مهم[34].
نيم رساناها
(bulk)

شعاع اکسیتون
(nm)
شعاع حفره
(nm)
شعاع الکترون
(nm)
InP 1/24 0/073 0/4 9/6 8.2 1.3 6.9
GaAs 1/52 0/07 0/68 10/9 9.1 0.9 8.2
CdS 2/58 0/19 0/8 5/7 2.0 0.4 1.6
ZnS 3/84 0/040 0/61 5/2 1.1 0.4 0.7

جایگاه الکترون و حفره در اکسیتون بوسیله توصیف می¬گردد. به دلیل اینکه جرم مؤثر الکترون و حفره از جرم الکترون کوچکتر و ثابت دی الکتریک نیم¬رساناها چند برابر 1(ثابت دی الکتریک خلأ) می باشد، شعاع بوهر اکسیتون بزرگتر از شعاع بوهر اتم هیدروژن و انرژی ریدبرگ اکسیتون کوچکتر از انرژی ریدبرگ هیدروژن می باشد. مقادیر برای نیم¬رساناها معمولی بین 1 تا 10 نانومتر می باشد[8]. و انرژی ریدبرگ اکسیتون مقدار تقریبی از 1 تا 100 الکترون ¬ولت را دارا است[32]. به دلیل استتار حفره بوسیله الکترونها در جامد توده-ای، انرژی پیوند اکسیتون عموماً بسیار کوچک می باشد. پس حالتهای اکسیتونی فقط در دماهای بسیار پائین قابل نظاره هستند( انرژی لازم برای واپاشی اکسیتون به حاملهای آزاد، در دماهای معمولی بوسیله انرژی گرمائی محیط قابل تأمین می باشد). در مولکولها، جفت الکترون و حفره جایگزیده هستند و به دلیل اثر استتار بسیار کم، برهم کنش قوی کولمبی بین آنها هست. نانوذرّات بین این دو حالت قرار دارند[32].
هنگامی که ابعاد ذرّه کاهش می¬یابد، شعاع ذرّه با اندازه اکسیتون قابل مقایسه و یا حتی بزرگتر می¬گردد. این به این معنا می باشد که در نیم¬رساناهائی که اندازه-شان با شعاع بوهر اکسیتون قابل مقایسه می باشد، برهم نهی بزرگتری بین توابع موج الکترون و حفره رخ می¬دهد و الکترون و حفرۀ آزاد نمی¬توانند وجود داشته باشند زیرا ابعاد نانوذرّه با فاصله¬ای که در آن الکترون و حفره با یکدیگر بر همکنش دارند(شعاع بوهر اکسیتون) قابل مقایسه می باشد. همین نکته منشأ تفاوت خواص نوری نیم¬رساناهای حجیم و نانو اندازه می باشد. در نانوذرّات به دلیل تعداد کم الکترونها( در مقایسه با حالت حجیم) اثر استتار نیز کمتر می باشد. نکته بسیار مهمی که در این زمینه قابل توجّه است این می باشد که با کاهش اندازه بلور، بین جذب اکسیتونی و برانگیختگی الکترون به نوار هدایت تمایزی وجود ندارد. به گونه¬ای که حالتهای اکسیتونی و حالتهای اشغال نشده هر دو در یک محدوده متمرکز می¬شوند[35].

این نوشته در برق ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

پاسخی بگذارید