فروشگاه اینترنتی فایل ها این وبلاگ در زمینه فروش انواع مختلف فایل های آموزشی تحصیلی و دانشگاهی فعالیت می نماید

پراکندگی رامان در نقاط کوانتمی نیم رسانا93

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول

مقدمه­ای بر پراکندگی رامان.....1

1-1 مقدمه.....2

1-2 تاریخچه....3

1-3 کاربردهای مهم پراکندگی رامان در فناوری نانو...5

1-4 نانوفناوری چیست؟...5

1-5 پیشگامان نانوفناوری....6

1-6 خواص نانومواد....7

1-7 روش­های تولید نانوذرات......8

1-8 مقدمه­ای بر نیم­رساناها.......9

1-9 طبقه­بندی نانوساختارها....10

فصل دوم

فرمول­بندی پراکندگی رامان.............................................................................................................14

2-1 سطح مقطع رامان.....................................................................................................................15

الف

2-2 سطح مقطع دیفرانسیلی پراکندگی چاه کوانتمی.......................................................................17

2-2-1 شدت پراکندگی رامان..............................................................................................19

2-3 سطح مقطع دیفرانسیلی برای چاه­سیم­های کوانتمی و سیم­های ساده کوانتمی......................28

2-3-1 شدت پراکندگی رامان...........................................................................................30

2-4 سطح مقطع دیفرانسیلی برای نقطه کوانتمی..........................................................................36

2-4-1 شدت پراکندگی رامان............................................................................................37

فصل سوم

بررسی سطح مقطع پراکندگی نقطه کوانتمی بر اساس قطبش­های متفاوت...................................42

3-1 معادله شرودینگر...................................................................................................................43

3-1-1 معادله شرودینگر در نقطه کوانتمی..........................................................................44

3-2 سطح مقطع پراکندگی رامان........................................................................................47

3-3 محاسبات عددی..................................................................................................................50

فصل چهارم

نتیجه­گیری و پیشنهادات................................................................................................................57

4-1 نتایج......................................................................................................................................58

5-1 پیشنهادات.............................................................................................................................60

منابع و مآخذ.................................................................................................................................61

چکیده انگلیسی............................................................................................................................

 فهرست اشکال

عنوان صفحه

شکل 1-1 نمایش ساختار نواری برای الف) رسانا، ب) نیم­رسانا، ج)عایق..................................9

شکل 1-2 ساختار یک چاه کوانتمی نیم­رسانا.............................................................................11

شکل 1-3: ساختار یک سیم کوانتمی نیم­رسانا............................................................................12

شکل 1-4: ساختار چاه، سیم و نقطه کوانتمی.............................................................................13

شکل 2-1: طیف گسیلی پراکندگی الکترونی رامان در چاه کوانتمی با قطبش و عرض چندگانه......................................................................................................................................27

شکل 2-2: طیف گسیلی پراکندگی الکترونی رامان در چاه کوانتمی برای قطبش....................................................................................................................................................27

شکل 2-3: طیف گسیلی پراکندگی الکترونی رامان در چاه­سیم­های کوانتمی و نقاط کوانتمی برای قطبش....................................................................................................................35

شکل 3-1: چاه پتانسیل بی­نهایت یک بعدی..............................................................................44

شکل 3-2 : نمودار انرژی زیر نوارهای نقطه کوانتمی دیسک شکل بر حسب شعاع به ازای ...............................................................................................................................51

شکل 3-3 : نمودار انرژی زیر نوارهای نقطه کوانتمی دیسک شکل بر حسب میدان مغناطیسی به ازای.........................................................................................................................52

شکل 3-4: طیف گسیلی نقطه کوانتمی دیسک شکل برای قطبش .............................53

شکل 3-5 : طیف گسیلی نقطه کوانتمی دیسک شکل برای قطبش ............................54

شکل 3-6: طیف گسیلی برای دو مقدار مختلف از شعاع نقطه کوانتمی برای قطبش ...................................................................................................................................................55

شکل 3-7: طیف گسیلی برای دو مقدار مختلف از شعاع نقطه کوانتمی برای قطبش .....................................................................................................................................................55

فصل اول

  مقدمه­ای بر پراکندگی رامان

 1-1 مقدمه

پراکندگی رامان مطالعه نوعی از برهم­کنش بین نور و ماده است که در آن نور دچار پراکندگی غیرکشسان می‌شود. در آزمایش­های طیف سنجی رامان، فوتون­های تک طول موج (در ناحیه‌ی مرئی، نور تکفام گفته می‌شود) روی نمونه متمرکز ‌می‌شوند. فوتون­ها با مولکول‌ها برهم­کنش می‌کنند و بازتابیده، جذب یا پراکنده می‌شوند. طیف سنجی رامان فوتون­های پراکنده شده را مطالعه می‌کند. غالباً فوتون‌هایی که با مولکول‌ها برهم­کنش می‌کنند، به طور کشسان پراکنده می‌شوند. به این نوع پراکندگی، پراکندگی ریلی گفته می‌شود و فوتون‌های پراکنده شده همان طول موج نور فرودی را دارند. اما تقریباً از هر یک میلیون فوتون، یک فوتون به طور غیرکشسان پراکنده می‌شود. در پراکندگی رامان، فوتون فرودی با ماده برهم­کنش می‌کند و طول موج آن به سمت طول موج‌های بیشتر یا کمتر جابجا می­شوند. جابجایی به طول موج­های بیشتر غالب است و این پراکندگی را رامان استوکس می‌گویند. اتفاقی که در اینجا می‌افتد آن است که فوتون با ابر الکترونی پیوندهای گروه­های عاملی برهم­کنش کرده و الکترون را به یک حالت مجازی برانگیخته می‌کند. سپس الکترون از حالت مجازی به یک حالت ارتعاشی یا چرخشی برانگیخته واهلش می‌یابد. این باعث می­شود که فوتون مقداری از انرژی خود را از دست بدهد و به صورت پراکندگی رامان استوکس آشکارسازی شود[1]. انرژی از دست داده شده ارتباط مستقیمی با گروه عاملی، ساختار مولکولی متصل به آن، نوع اتم­های مولکول و محیط آن دارد. طیف­های رامان هر مولکول، منحصر به فرد است. از این رو می‌توان از آن مانند "اثر انگشت" در تشخیص ترکیبات مولکولی روی یک سطح، درون یک مایع یا در هوا استفاده کرد[2] .

1-2 تاریخچه

پراکندگی ناکشسان نور توسط آدولف اسمکال[1] در سال 1921 پیش­بینی شده بود ولی این پدیده در سال 1928 مشاهده شد. پدیده رامان، به نام دانشمند هندی سر رامان[2] که این اثر را با استفاده از نور خورشید مشاهده کرده بود، نامیدند که در سال 1930 به‌خاطر این کشف وی توانست جایزه نوبل فیزیک را دریافت کند. این اثر فیزیکی توسط جورج پلاکزیک[3] چکوسلوواک بین سال‌های 1930 تا 1934 توسعه یافته و کامل شد.

رنگ آبی آسمان سیاره ما ناشی از پراکندگی نور خورشید از مولکول‌های گازی موجود در جو می‌باشد. در این موقعیت پرسیدن این سوال که چه کسی برای اولین بار این پراکندگی را مشاهده کرد، امری بیهوده است. افرادی مانند لئوناردو داوینچی[4] در قرن 15 میلادی و نیوتن در قرن 17 میلادی و کلوزیوس[5] در قرن 19 میلادی سعی کردند که چرایی آبی بودن رنگ آسمان را توجیه کنند، گرچه غالب تئوری‌های آنان اشتباه بود. برای اولین بار در آزمایشگاه تیندال، ریلی[6] در سال 1899 میلادی نظریه­ای بیان نمود که توانست پراکندگی نور را توجیه کند. این نظریه­ پراکندگی پاسخی بود به چرایی آبی بودن رنگ آسمان سیاره ما. پدیده رنگین کمان نیز گواه بزرگتری برای رنگی بودن نورهای بازتابیده و پراکنده شده در آسمان بود که پیدا کردن راه حل منطقی این سوال که چرا رنگ آسمان آبی است را پیچیده‌تر و دشوارتر می‌کرد. بسیاری از دانشمندان تلاش‌های زیادی برای پاسخگویی به این سوال کردند تا اینکه مولوکوفسکی[7] توانست در سال 1908 میلادی بهترین توجیه را به جامعه علمی ارائه دهد. این دانشمند مبنای توجه خود را بر افزایش قابل ملاحظه چگالی شدت در هنگام پراکندگی نور و تغییر فاز نور در هنگام شکست آن قرار داد. در سال 1980 انیشتین[8] ، نشان داد که چگونه می‌توان این تغییرات را در متغیرهای ترمودینامیکی و همچنین شدت نور در زمان شکست را دقیقا اندازه گیری کرد. زرنیک[9] و ارنشتاین[10] برای پراکندگی نور رابطه‌ی بدست آمده توسط انیشتین را در نقطه شکست تایید کردند و به بیان دیگری نظریه پراکندگی نور حاصل از تغییرات شدت در نقطه شکست در اوایل قرن 20 میلادی به خوبی منسجم شد. بسیاری از اطلاعات خام مشاهده شده در آن زمان به کار گرفته شد تا با موفقیت این پدیده فیزیکی را توجیه کنند. همچنین دراین میان، این اطلاعات توانست مقدار عدد آواگادرو را با استفاده از نور پراکنده شده در گازها بادقت مشخص کند. مطالعات پراکندگی نور در کشورهایی مانند روسیه، فرانسه، هند و ایالات متحده آمریکا و آلمان به طور جدی دنبال می‌شد. در اوایل قرن 20 میلادی افرادی مانند رامان[11] و کریشنان[12] در هند و لندزبرگ[13] و مندل[14] در روسیه و کابانز[15] و دائور[16] در فرانسه پیشرو این زمینه بودند. این سه گروه در حال بررسی تغییر فرکانس نور پراکنده شده در شرایط مختلف فیزیکی بودند که دو گروه هندی و روسی مطالبی را مشاهده کردند که برنامه یا هدفی برای مشاهده آن نداشتند. این یافته‌ها توسط این دو گروه مبنای نظریه مورد نظر ما می‌باشد. آقایان لندربرگ و مندل اشتام پراکندگی نور را در کوارتز و چند بلور دیگر مورد بررسی قرار دادند تا نورهای بازتابیده که دچار تغییر فرکانس شده‌اند را بیابند. در همان زمان رامان و کریشنان در کلکته هند هزاران کیلومتر دورتر از دانشمندان روسی در حال بررسی تغییرات نور در اثر کامپتون بودند. آنها با چاپ سه مقاله در سال 1928 میلادی در این زمینه این اثر را به نام خود ثبت نموده و موفق به دریافت جایزه نوبل شدند این در حالی بود که گزارش رامان و کریشنان اندکی زودتر از گزارش دانشمندان روسی بود[3]. امروزه مطالعات بر روی پراکندگی نور در زمینه تجربی و تئوری به هزاران شاخه منتهی می‌شود و چند هزار دانشمند و محقق به طور جدی بر روی این مسئله در حال تحقیق و کاوش هستند[5و4].

 1-3 کاربردهای مهم پراکندگی رامان در فناوری نانو

1- شناسائی و جداسازی برخی از ترکیبات آلی و معدنی [7]

2- تعیین ساختار شیمیائی ترکیبات [7]

3- تعیین شرایط مرزی برای میدان الکتریکی در نزدیکی سطح [8]

4- از طیف­سنج رامان برای آنالیز ذرات نانو مقیاس برخی از ملکول­های آلی و نانو بلورهایDNAو نانو تیوپ‌های کربنی می‌توان استفاده نمود[11-9].

5- برای تعیین قطر کربن و کایرالیته کربن (کربن کایرال، کربنی است که چهار گروه اتم متصل به آن متفاوت باشد) و تعیین قطر نانو ذرات معدنی می­توان از طیف­سنج رامان استفاده نمود[12و11].

 1-4 نانوفناوری چیست؟

نانوفناوری، توانایی انجام کار در سطح اتمی و مولکولی برای ایجاد ساختارهای بزرگ و جدید است. رفتار مواد در ابعاد نانو در مقایسه با رفتار ساختارهای حجیم بسیار تفاوت دارد. نانوفناوری به مواد و سیستم‌هایی مربوط می­شود که ساختار و اجزای آن­ها به دلیل ابعاد نانومتری، خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه­ای را نشان می­دهد. هدف از توسعه­ی نانوفناوری، کنترل ساختارها و دستگاه­ها در سطح اتمی، مولکولی و فرامولکولی یادگیری چگونگی ساخت و تولید و کاربرد این دستگاه­هاست. رفتارهای جدید در مقیاس نانو را نمی­توان از کاهش فوق­العاده­ی ابعاد دانست. بلکه پدیده­های ذاتی و جدید حاکم در مقیاس نانو، همچون محدودیت اندازه و اعتبار بی­چون و چرای روابط مکانیک کوانتمی را باید از دلایل اصلی شمرد. زمانی که بتوانیم اندازه را کنترل کنیم، ارتقاء ویژگی­­های ساده و عملکرد دستگاه­­ها به سطحی فراتر از آن­چه که امروزه می­دانیم و یا حتی امکان­پذیر فرض می­کنیم، میسّر خواهد شد.

همه­ی مواد و سیستم­ها، زیربنای ساختاری در مقیاس نانو ترتیب می­دهند. در این­جا مثال­هایی را ذکر می‌کنیم. یک مولکول آب دارای قطری در حد 1 نانومتر است. کوچک­ترین ترانزیستورها به اندازه­ی 20 نانومتر می­باشند.

نانوفناوری، اتحاد ساختارهای نانویی در جهت ایجاد ساختارهای بزرگ­تر را که می­توانند در صنعت، پزشکی و حفاظت محیط­زیست استفاده شوند، شامل می­شود. هنوز چند دهه به توانایی تولید فراورده­های تجاری مانده است ولی مدل­های نظری رایانه­ای و محاسباتی نشان می­دهد که دست­یابی به سیستم­های تولید مولکولی امکان­پذیر است چرا که این مدل­ها قوانین فیزیک کنونی را نقض نمی­کند. امروزه، دانشمندان وسایل و تکنیک­های زیادی را که برای تبدیل نانوفناوری از مدل­های رایانه­ای به واقعیت لازم است، اختراع و تدبیر می­کنند.

 1-5 پیشگامان نانوفناوری

در سال 1959، ریچارد فاینمن[17] در سخنرانی معروف خود اظهار داشت: «اصول فیزیک، تا آنجایی­که من توانایی فهمش را دارم، امکان ساختن اتم به اتم مواد را نفی نمی­کند.» او همچنین عنوان کرد: «اگر دانشمندان فرا گرفته­اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه­ها را با مقیاس کوچک بسازند، پس خواهیم توانست آنها را کوچک­تر و کوچک­تر کنیم.» در واقع آن­ها به مرزهای حقیقی خود در لبه­های نامعلوم کوانتوم نزدیک خواهند شد و فقط هنگامی این کوچک­ شدن متوقف می­شود که خود اتم­ها تا حد زیادی ناپایدار و غیرقابل فهم شوند. فاینمن طراحی دقیق مولکول­ها را امکان­پذیر دانست. او پیش­بینی کرد یک اتم در مقابل اتمی دیگر می­تواند به گونه­ای قرار گیرد که کوچک­ترین محصول مصنوعی را ایجاد کند. فاینمن در ذهن خود یک «دکتر مولکولی» تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد کوچک­تر است و می­تواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن به اعمال ترمیمی و یا به­ طور کلی نگهداری بدن بپردازد.

ماروین مینسکی[18] یابنده­ی هوش­های مصنوعی، در دهه 1970-1960 جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده می­شد، رهبری کرد. اریک درکسلر[19] دانشجوی مینسکی در اوایل دهه 80، درجه­ی استادی خود در رشته­ی علوم دریافت کرده و با تشکیل یک انجمن دانشجویی، فعالیت­­هایی را تحت عنوان نانوفناوری انجام داد. درکسلر نخستین مقاله خود را در مورد نانوفناوری مولکولی در سال 1981 ارائه داد. وی همچنین در سال 1986 کتابی[20] را در زمینه نانوفناوری منتشر کرد. درکسلر تنها کسی است که برای نخستین بار درجه­ی دکتری خود را در نانوفناوری در سال 1991 از دانشگاه دریافت داشت. او یک پیش­رو در فعالیت­های انجام شده در نانوفناوری است و هم­اکنون رئیس انستیتو فورسایت[21] و ریسرچ­فلو[22] است.

 1-6 خواص نانومواد

با گذر از مقیاس میکرو به نانو، با تغییر برخی خواص فیزیکی و شیمیایی رو­به­رو می­شویم که دو مورد مهم از آن­ها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتمی[13]. افزایش نسبت سطح به حجم که بتدریج با کاهش اندازه ذره رخ می­دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم­های واقع در سطح ذره به رفتار اتم­های درونی می­شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می­گذارد. افزایش سطح، واکنش­پذیری نانومواد را به شدت افزایش می­دهد زیرا تعداد مولکول‌ها یا اتم­های موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتم­ها یا مولکول­های موجود در توده نمونه بسیار زیاد است، به گونه­ای که این ذرات به شدت تمایل به تجمع[23] یا کلوخه­ای شدن دارند. به عنوان مثال، در مورد نانوذرات فلزی، به محض قرارگیری در هوا، به سرعت اکسید می­شوند. در بعضی مواقع برای حفظ خواص مطلوب نانومواد، جهت پیشگری از واکنش بیشتر، یک پایدار کننده را بایستی به آن­ها اضافه کرد که آن­ها را قادر می­سازد تا در برابر سایش، فرسودگی و خوردگی مقاوم باشند.

البته این خاصیت مزایایی هم دربردارد، ازجمله عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزورها و ساختارهایی همچون الکترودها می­باشد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می­توان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید و یا در تولید نانوکامپوزیت­­ها با استفاده از این مواد، پیوندهای شیمیایی مستحکم­تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام آن به­شدت افزایش می­یابد.

 1-7 روش­های تولید نانوذرات

با توجه به گستردگی نانوذرات و نیز گستردگی موارد کاربرد آن­ها، از روش­های مختلفی برای تولید این ذرات استفاده می­شود که انتخاب روش بستگی به نوع ماده و کاربرد آن دارد. در تولید نانوذرات از دو روش اصلی و اساس می­توان استفاده کرد:

1-روش­های فیزیکی

2-روش­­های شیمیایی

هرکدام از این روش­ها به خودی خود دارای راه­کارهای جزئی­تر می­باشند و همچنین روش­هایی بین این دو مطرح می­باشد که به روش­های مکانیکی – شیمیایی موسوم­اند. در روش فیزیکی که اصطلاحاً آن را روش « از بالا به پایین » می­نامند، قطعات بزرگ مواد با استفاده از ابزار و ادوات فیزیکی به ذرات بسیار ریز در مقیاس نانومتر تبدیل می­شوند. در این روش عمدتاً ابزارهای بسیار دقیق و در عین حال گران قیمت فیزیکی مورد نیاز می­باشد که به راحتی هم در دسترس قرار نمی­گیرد.

در روش شیمیایی که مبتنی بر هسته­زایی و رشد می­باشد و اصطلاحاً آن را روش « از پایین به بالا» می‌نامند، با استفاده از واکنش­های شیمیایی، تولید ذرات امکان­پذیر می­گردد که در مقایسه با روش فیزیکی بسیار ارزان­تر و در دسترس­تر است. مزیت این روش­ها ارزان بودن، در دسترس بودن و ساده بودن آزمایش­ها برای تولید نانوذرات می­باشد. بخش عظیمی از تحقیقات نانوذرات در دنیا با استفاده از همین روش­ها انجام می­پذیرد.

[1]Adolf Esmkal

[2]Raman

[3]Jorje Pelagic

[4]Davinchi

[5]Klaus

[6]Rile

[7]Molokofski

[8]Aniston

[9]Zernike

[10]Arnshtain

[11]Raman

[12]Krishnan

[13]Lundeberg

[14]Mandel

[15]Cabins

[16]Dior

[17]Richard Feynman

[18]Marvin Minsky

[19]Eric Drexler

[20]Engines of Creation: the coming era of nanotechnology

[21]Foresight

[22]Research Fellow

[23]Agglomeration