پایان نامه فناوری نانو

فصل اوّل:

کلیّات

مقدمه:

تفاوت میان خواص مواد در مقیاس نانو و توده­ای در حوزه­های مختلف علوم و مهندسی مورد مطالعه محققان قرار گرفته است. در این فصل پس از معرفی مختصر ضرورتهای فنّاوری نانو، برخی از این ویژگیهای متفاوت که دانستن آنها در درک مطالب بعدی این پایا­نامه ضروری است، معرفی می­شوند. موضوع دیگر این فصل ارائۀ یک دسته­بندی کامل از روشهای گوناگون تولید نانوذرّات است. همچنین برای فراهم آوردن امکان مقایسه بین روشهای شیمیائی تولید نانوذرّات CdS، چند روش گزارش شده از آنها معرفی می­گردد. در این فصل کلیّاتی از روش شیمیائی مهار کردن که در این پایان­نامه از آن برای تولید نانوذرّات CdS و CdS:Ni استفاده می­شود نیز معرفی خواهد شد.

نانو فنّاوری[1]

در حال حاضر علوم بدون کمک گرفتن از فنّاوری نانو، قدرت جوابگوئی به نیازهای روز افزون بشر را ندارند. علی رغم رشد قابل ستایشِ شاخه­های مختلف علوم، دانشمندان با چالشهای اساسی نیز روبرو هستند. برای مثال رایانه­ها با وجود نزدیک شدن به سرعتهای بحرانی پردازش، با توقعات بشر همخوانی ندارند. در داروسازی، داروها عوارض جانبی شدید به همراه داشته و برخی نیز به دلیل نامحلول و یا کم­محلول بودن در خون از چرخۀ مصرف کنار گذاشته می­شوند. از این گونه مشکلات، در بخشهای دیگر علوم نیز به وفور مشاهده می­شود. فنّاوری نانو برای غلبه بر این چالشها، قابلیتهای فراوانی را به بشر عرضه نموده است.

در پزشکی به کمک این فنّاوری، نانوذرّاتی ابداع شده که به توزیع آسان دارو در قسمتهای مختلف بدن کمک می‌کند. در پوشش‌ زخمهای خاص نظیر زخمهای سوختگی، از برخی نانوذرّات به‌ عنوان عامل ضدمیکروب، ضدالتهاب و التیام‌بخش استفاده می‌شود. غذاهای غنی‌شده نیز بوسیله این فنّاوری تولید شده­اند[5-1] و ....

در حوزۀ نانو مواد، به دلیل اینکه مواد حجیمی که از ترکیبات نانوساختار تشکیل شده­اند از نظر مقاومت در برابر خوردگی، کشسانی و ایمنی در برابر آتش سوزی، مزیّتهای قابل ملاحظه­ای نسبت به مواد دیگر دارند، دانشمندان به دنبال چنین نانوساختارهای سبک و مقاوم در برابر حرارت هستند که برای هواپیماها، راکتها، ایستگاه‌های فضایی و .... مورد نیاز می­باشند. برای مثال، ساخت موادی که یک ششم چگالی فولاد را دارند ولی مقاومت آنها 50 الی 100 برابر فولاد است، یکی از موفقیّتهای پژوهشگران در این زمینه می­باشد[5].

در صنایع الکترونیک، تولید کامپیوتر‌های سریع‌ موسوم به کامپیوترهای کوانتومی، تراشه‌های حافظه با اندازه نانو که هزاران برابر تراشه­های فعلی قدرت ذخیره‌سازی دارند و... مدنظر هستند. شرکت سامسونگ، توسعه نیمی از محصولات ساخته ‌شده توسط این شرکت را به دلیل نوآوریهای ناشی از نانوذرّات نقره می­داند[3]. به جرأت می­توان گفت: فنّاوری نانو[2] (NT) به همراه فنّاوری اطلاعات[3] (IT) و پروژه ژنوم انسانی[4] (BT) همزمان شکل دهنده سوّمین انقلاب صنعتی جهان هستند[6-1].

نانوذرّات[5]

باورها بر این است که سهم زیادی از توفیق نانو تکنولوژی در بهبود آینده بشر، به حوزه نانوذرّات تعلق خواهد داشت. نانوذرّات(حبس حاملهای بار در سه بعد) که به صورتهای گوناگون دسته بندی می­شوند( فلزّی، نیم­رسانا، پوسته- هسته[6] و ...)، به همراه سیمهای کوانتومی[7](حبس حاملهای بار در دو بعد) و لایه­های نازک یا چاه­های کوانتومی[8](حبس حاملهای بار در یک بعد) تشکیل ­دهندۀ نانو مواد هستند[7].

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل1-1) روند حبس حاملهای بار در نانو مواد[8].

نانوذرّات که از آنها به عنوان نانوبلورها[9] ، نانوخوشه­ها[10] و نقاط کوانتومی[11] هم یاد می­شود، در مقایسه با مادّۀ حجیم خودشان، خواص متفاوتی بروز می­دهند. این خواص منحصر به فرد، قابلیتهای فراوانی را برای بهره­برداری از آنها در اختیار دانشمندان قرار داده است. در ادامه، برخی از این ویژگیها و منشأهای آنها معرفی می­گردد.

1-3   خواص تابع اندازه نانوذرّات

مطالعه و تحقیق در مورد نانوذرّات به این دلیل که فرصتی برای درک خواص فیزیکی مواد با ابعاد کاهش یافته و همچنین مطالعه خواص سطوح به شمار می­آید از موضوعات جالب و مورد علاقۀ محققان از دو دهۀ پیش تاکنون بوده است[12-9]. مهمترین ویژگی نانوذرّات، تابع اندازه بودن خواص[12] آنها است. 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 می­شوند. برای مثال، نقطه ذوب ذرّاتCdS  و طلا با کوچک شدن اندازه­شان کاهش می­یابد(شکل1-2 "الف" و "ب"). می­توان وضعیّت ظرفیت گرمائی هلیوم مایع و هلیوم هنگامی که در خوشه­های 64 اتمی است را در شکل1-2 "ج" مشاهده نمود. برخی دیگر از کمیتهای ترمودینامیکی نظیر انرژی چسبندگی، ظرفیت گرمایی، طول و قدرت پیوند و... نیز تابع اندازه هستند[13].

(شکل در فایل اصلی موجود است)

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 خوشه­های 64  اتمی[16] را  نشان می­دهد.

خواص الاستیکی و پلاستیکی نانوذرّات نیز به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار زیاد، در مقایسه با حالت حجیم بهبود می­یابد و همچنین سختی­شان افزایش پیدا می­کند.  به عنوان مثال، نانوذرّات مس با قطر تقریبیnm  6 تا پنج برابر از ذرّات با قطر nm50 سخت­ترند و یا در مورد Pb، ذرّات با اندازه 7 نانو­متر از ذرّات صد نانومتری تا صد بار استحکام بیشتری دارند[17].

خواص مغناطیسی نانوذرّات نیز تابع اندازه می­باشد. بر اساس گزارش نیل[13] اگر یک ماده تک حوزه، به اندازه کافی کوچک باشد، نوسانات گرمایی می­توانند باعث شوند که جهت مغناطش آن نوعی چرخش براونی را متحمل شود. بنابراین (مقدار میدان مورد نیاز برای برگرداندن سیستم از حالت مغناطیده با مغناطش M به حالت عادی) برای ذرّات کوچک صفر می­شود زیرا نوسانات گرمایی مانع وجود یک مغناطش ثابت می­شوند. این حالت را سوپر پارامغناطیس می­نامند زیرا چنین  موادی همانند یک ماده پارامغناطیس با M بزرگتر رفتار می­کنند. مثلاً نانوذرّات اکسید آهن با اندازهnm  1.7 در یک پوشش پلیمری از خود خواص سوپر پارامغناطیس نشان می­دهند[18].

وابستگی خواص نوری نانوذرّات نیم­رسانا[14] به اندازه­شان، موضوع تحقیقات گسترده محققان از دو دهۀ پیش تاکنون بوده است. ذرّات نیم­رسانائی که شعاع آنها از یک مقدار بحرانی کمتر باشد، خواص نوری متفاوت با حالت حجیم و تابع اندازه از خود بروز می­دهند. آزمایشهای فراوان ثابت کرده است که طول موج شولدر طیف جذبی نانوذرّات نیم­رسانا، با کاهش اندازه،­ به طرف طول موجهای کوچکتر جابجا می­شود[19]. به عبارت دیگر، با کاهش اندازه نانوذرّات نیم­رسانا، گاف انرژی­شان افزایش پیدا می­کند. خواص نوری غیر خطی نانوذرّات نیز با مواد توده­ای تفاوت دارد[20]. همچنین طول موج بیشینه طیف گسیلی نانوذرّات نیز تابع اندازه می­باشد[21].

 این حقیقت(وابستگی خواص نوری به اندازه)، نانوذرّات نیم­رسانا را کاندیدای کاربرد در فوتوکاتالیستها، حسگرها، نمایشگرهای تخت، قطعات اپتوالکترونیک، کامپیوترهای کوانتومی، سلولهای خورشیدی و ... کرده است[26-22]. بهره­گیری از این خواص منحصر به فردِ نانوذرّات در دیودهای نوری و برچسب گذاریهای بیولوژیکی، از جمله موفقیّتهای اخیر پژوهشگران است[28-27].

1-٣-1   آلائیدن نانوذرّات

یکی از کارهائی که به طور معمول در مورد نیم­رساناها انجام می­گیرد، آلائیدن[15] آنها با عناصر دیگر به قصد بهبود خواصشان است. 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 نیم­رساناهای نوع n و p تشکیل می­گردد. این نوع آلائیدن، نیم­رساناها را برای تراشه­ها و قطعات الکترونیکی مناسب می­کند. دلیل اینکه در این قسمت به موضوع آلائیدن نیم­رساناها اشاره شد، بیان این مزیّتِ نانوذرّات نیم­رسانا است که علاوه بر مؤلفه اندازه، از مؤلفه آلایش نیز می­توان به خوبی برای بهبود خواص آنها بهره برد. آلائیدن نانوذرّات نیم­رسانائی که معمولاً کاربردهای نوری دارند(مانند نیم­رساناهای گروه II-VI) به بهینه شدن خواص نورتابی­شان می­انجامد[29]. این کار باعث شده تا نانوذرّات نیم­رسانا به عنوان دسته جدیدی از مواد نورتاب مطرح شوند. برای مثال، آلائیدن نانوذرّات نیم­رسانای CdS با برخی از فلزّات واسطه، خواص نورتابی آن را تحت تأثیر قرار می­دهد. چندین گزارش مبنی بر آلائیدن نانوذرّات CdS با عناصر واسطه مانند Mn وجود دارد که افزایش شدّت بیشینه طیف گسیلی را به همراه داشته است[30]. آلائیدن نانوذرّات اگر از  مقدار خاصی بیشتر شود، به افت شدّت بیشینه طیف گسیل می­انجامد[31] که در فصل آینده با عنوان قفل سیستم به آن اشاره می­شود.

1-4   ساختار نواری نانوذرّات

در گذار از فاز حجیم به فاز نانو، نوارهای انرژی مواد دچار تغییر می­شود. برای درک بهتر و نیز شناسائی منشأ این تغییر، گذار عنصر سدیم از فاز اتمی به فاز حجیم به طور کیفی مورد بررسی قرار می­گیرد[32].

ترازهای انرژی اتم سدیم که دارای پیکربندی می­باشد، در طرحواره شکل 1-3 "الف" نشان داده شده است. هنگامی که اتمها از یکدیگر دور هستند، الکترونها، پتانسیل کولنی دیگری را احساس نمی­کنند. 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 است. وقتی دو اتم به یکدیگر نزدیک شوند این تبهگنی به خاطر اندرکنش متقابل میانشان از بین می­رود و هر کدام از ترازها به یک دو­تائی تبدیل می­گردند(شکل1-3 "ب").

شکسته شدن تبهگنیها، با در کنار یکدیگر گرفتن اتمهای بیشتر، ادامه می­یابد و در نهایت هنگامی که تعداد اتمها به مقدار N بسیار بزرگ می­رسد() این ترازهای شکسته شدۀ بسیار زیاد، یک نوار انرژی را تشکیل می­دهند(شکل1-٣ "ج") دراین صورت ساختار نواری پیوسته در یک بلور حجیم تشکیل می­گردد.

 این بحث کیفی، نقطه عزیمتی برای درک وضعیت نانوبلورها است. درنانوبلورها چون N(تعداد اتمهای تشکیل دهنده آنها) عدد بزرگی نیست(رجوع شود 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 است شبیه می­باشد.

(شکل در فایل اصلی موجود 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 می­گیرد به مواردی برخورد می­شود که تنها با دانستن درک صحیح از وضعیت ترازهای انرژی قابل توجیه است. تشکیل شدن قلّه در طیف جذب و تیزتر شدن آن با کوچک شدن اندازه(کاهش تعداد اتمها) از جمله 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 است[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 مشاهده است.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

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

1-5  اکسیتون در نانوذرّات

در نیم­رساناهای حجیم، هنگامی که انرژی فوتون فرودی از انرژی گاف نواری بزرگتر باشد جفت الکترون و حفره آزاد تولید می­گردد. در دمای معمولی، جدائی الکترون و حفره تا آنجا که هیچ جاذبه­ای بین آنها احساس نگردد ادامه می­یابد و می­توان در نهایت آنها را به طور مستقل فرض کرد. اگر انرژی فوتون فرودی اندکی از انرژی گاف نواری کمتر باشد الکترون و حفره می­توانند 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 می­کنند. اکسیتون با حرکت خود در بلور انرژی حمل می­کند ولی نمی­تواند بار الکتریکی حمل نماید.