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

بررسی و ساخت نانوسیم هاو امکان سنجی تولید میکرومقاومت وکوچک تر از آن برپایه ی قالب آلومینای آندیک متخلخل و روش انباشت الکتروشیمیایی

چکیده

 بررسی و ساخت نانوسیم­هاو امکان­سنجی تولید میکرومقاومت وکوچک­تر از آن برپایه­ی قالب آلومینای آندیک متخلخل و روش انباشت الکتروشیمیایی

 در این پایان­نامه ابتدا توضیحاتی پیرامون نانوفناوری و بررسی نظری و تولید نانوسیم­ها ارائه شده و سپس­ به بررسی نظری و تجربی مقاومت الکتریکی سیم­های ریز با اندازه­های زیر میکرومتر پرداخته­ایم. در ادامه چندین روش تولید نانوساختارها را مرور کرده و بطور خاص به بررسی ساختار و نحوه­ی تولید قالب­های آلومینای آندیک متخلخل پرداخته­ایم. سپس با توجه به امکانات موجود در آزمایشگاه لایه­نشانی بخش فیزیک دانشگاه شیراز، این قالب­ها را جهت تولید نانوسیم­ها برگزیده­ایم.سپس این قالب­ها را با شرایط مختلف از قبیل الکترولیت­ها و ولتاژهای آندایز مختلف تولید نموده و روش انباشت الکتروشیمیایی را برای تولید نانوسیم درون حفره­های این قالب­ بکار بردیم. الکتروانباشت شیمیایی جهت تولید نانوسیم­ها با سه روش استفاده از ولتاژ مستقیم، تناوبی و پالسی انجام می­گیرد. ما هر سه روش را امتحان کرده و موفق به تولید نانوسیم­های Ag، Zn، Sn و Ag-Zn شدیم. سپس نتایج حاصل را با استفاده از تصاویر میکروسکوپی SEM و آنالیز پرتوی x (XRD) تایید کردیم.همچنین با قرار دادن نمونه­های Zn و Sn درون کوره اقدام به اکسایش آن­ها نموده و الگوی پراش نانوسیم­های ZnO و SnO₂ را نیز تهیه نمودیم.در ادامه سعی گردید تا امکان تهیه­ی مقاومت الکتریکی از آرایه­­­ی نانوسیم­های موجود در این قالب بررسی گردد. برای این کار اتصال الکتریکی با دو طرف قالب­های حاوی نانوسیم­های Zn برقرار گردید و مقادیر مقاومت بدست آمده ثبت شد. همچنین محاسباتی برای یافتن مقاومت الکتریکی هر نانوسیم Zn بعد از اکسایش در c300⁰ انجام پذیرفت و مقداری تقریبی برای مقاومت نانوسیم­های ZnO ارائه گشت.

 فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول:مقدمه

1-1- مقدمه­ای بر نانوتکنولوژی.............................................................................................................. 2

1-2- روش­های ساخت آرایه­ای از نانوسیم­ها..................................................................................... 3

1-3- ساخت قالب­های حفره­دار............................................................................................................. 3

1-4- پرکردن حفره­ها به روش الکتروانباشت شیمیایی................................................................... 4

1-5- هدف از این پایان­نامه..................................................................................................................... 4

 

فصل دوم: نانوفناوری

2-1- مقدمه................................................................................................................................................. 7

2-2- دسته­بندی نانوساختارها................................................................................................................ 8

2-2-1- فراورده­های نانوی یک بعدی............................................................................................ 8

2-2-2- فراورده­های نانوی دو بعدی.............................................................................................. 9

2-2-3- فراورده­های نانوی سه بعدی............................................................................................. 9

2-3- تجهیزات شناسایی نانومواد.......................................................................................................... 9

2-3-1- میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM)........................................................................... 10

2-3-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)........................................................................... 12

2-3-2-1- بزرگ­نمایی................................................................................................................ 12

2-3-2-2- آماده­سازی نمونه...................................................................................................... 12

2-3-3- ميكروسكوپروبشيتونلزني(STM)........................................................................... 13

2-3-4- تولید و خواص اشعه­ی ایکس.......................................................................................... 15

2-4- نانوسیم­ها.......................................................................................................................................... 17

2-4-1- انواع نانوسیم­ها..................................................................................................................... 17

2-4-2- کاربرد نانوسیم­ها.................................................................................................................. 18

عنوان صفحه

 

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 کپه­ای و محدود شده

3-1- مقدمه................................................................................................................................................. 22

3-2- ساختار فضایی جامدات و شبکه­های بلوری............................................................................. 22

3-3- مواد نیمه­هادی................................................................................................................................. 23

3-3-1- الگوی نوار انرژی نیمه­هادی­ها.......................................................................................... 23

3-4- برخی از خواص و تعاریف در حوزه­ی رسانش مواد بالک.................................................... 24

3-4-1- خلوص.................................................................................................................................... 24

3-4-2- حامل­ها................................................................................................................................... 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 نیمه­هادی­ها و عایق­ها........................................................................... 29

3-4-7-1-3- در مایعات یونی/الکترولیت­ها..................................................................... 30

3-5- برخی از خواص و تعاریف در حوزه­ی رسانش در مواد با مقیاس ریز............................... 30

3-5-1- چگالی حالات سیستم­های نانومقیاس........................................................................... 30

3-5-2- مقاومت در مقیاس­های ریز............................................................................................... 31

3-5-3- رسانش در سیم­های ریز.................................................................................................... 32

3-5-3-1- رسانش در نانوسیم­ها در ناحیه­ی با اثرات کوانتمی....................................... 32

3-5-3-2- پیشینه­ی محاسبه­ی رسانندگی در ابعاد ریز نزدیک به

مسافت آزاد میانگین..................................................................................................................... 33

عنوان صفحه

 

3-5-3-3- رسانش در نانوسیم­های بس­بلور با ابعاد نزدیک

به مسافت آزاد میانگین.............................................................................................................. 34

3-5-3-4- اندازه­گیری تجربی مقاومت ویژه­ی نانوسیم طلا............................................. 36

3-5-3-5- محاسبات نظری مقاومت ویژه­ی نانوسیم­ها...................................................... 37

3-5-3-6- محاسبات تئوری مقاومت ویژه­ی نانوسیم طلا................................................. 39

3-5-4- نانوسیم­های نیمه­هادی....................................................................................................... 41

3-5-4-1- نانوسیم ZnO........................................................................................................... 42

 

فصل چهارم: نانوحفره و کاربردهای آن

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 رژیم­های 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- فاصله­ی بین حفره­ای..................................................................................................................... 58

4-10- ضخامت دیواره.............................................................................................................................. 59

4-11- ضخامت لایه­ی سدی.................................................................................................................. 60

4-12- تخلخل............................................................................................................................................ 60

4-13- چگالی حفره.................................................................................................................................. 61

4-14- رشد خود شکل­یافته 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

عنوان صفحه

 

4-17- مراحل پیش آندایز...................................................................................................................... 66

4-17-1- چربی­زدایی نمونه............................................................................................................. 66

4-17-2- آنیل کردن نمونه.............................................................................................................. 67

4-17-3- پالیش کردن نمونه........................................................................................................... 67

4-18- مقاومت لایه­ی سدی................................................................................................................... 68

4-19- مراحل پس از آندایز................................................................................................................... 68

4-19-1- حل کردن آلومینیوم پشت نمونه................................................................................ 68

4-19-2- برداشتن لایه­ی سدی..................................................................................................... 69

4-19-3- نازک­سازی لایه­ی سدی................................................................................................. 70

4-20- ساخت نانوساختارها به­کمک قالب AAO............................................................................. 70

4-20-1- نانونقاط، نانوسیم­ها و نانولوله­های اکسید فلز................................................................... 72

 

فصل پنجم: روش­های تولید نانوساختارها

5-1- مقدمه................................................................................................................................................. 74

5-2- فرایند لیتوگرافی و محدودیت­ها................................................................................................. 74

5-3- روش­های غیرلیتوگرافی................................................................................................................ 75

5-3-1- انباشت بخار فیزیکی(PVD)............................................................................................ 76

5-3-1- 1- کند و پاش............................................................................................................... 76

5-3-1-2- تبخیر پرتوی الکترونی........................................................................................... 76

5-3-2- انباشت بخار شیمیایی(CVD)......................................................................................... 77

5-3-3- انباشت سل-ژل................................................................................................................... 77

5-3-4- انباشت الکتروفورتیک (EPD)......................................................................................... 77

5-3-5- انباشت الکتروشیمیایی...................................................................................................... 78

5-3-6- انباشت لیزر پالسی (PLD).............................................................................................. 78

5-4- روش­های ساخت آرایه­ای از نانوسیم­ها..................................................................................... 79

5-4-1- اصول کلی انباشت الکتروشیمیایی................................................................................. 79

5-4-2- روش­های 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

عنوان صفحه

 

5-4-3- شرایط تاثیر گزار بر الکتروانباشت.................................................................................. 84

5-4-4- الکتروانباشت آرایه­های نانوسیم چندلایه..................................................................... 85

5-4-5- الکتروانباشت نانوسیم­های نیمه­هادی­............................................................................. 86

 

فصل ششم: روش کار

6-1- تهیه­ی نمونه­ها بعنوان قالب ........................................................................................................ 88

6-1-1- مراحل پیش آندایز.............................................................................................................. 88

6-1-1-1- انتخاب نمونه­ی 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...................................................................................................... 94

6-1-2-4- آندایز در v86........................................................................................................... 95

6-1-2-5- حل کردن آلومینا.................................................................................................... 95

6-1-2-6- آندایز در 104 و v8/68......................................................................................... 96

6-1-3- مراحل پس از آندایز........................................................................................................... 96

6-1-3-1- نازک­سازی نمونه................................................................................................................... 99

6-1-3-2- گشاد کردن حفره­ها................................................................................................. 99

6-1-3-3- حل کردن لایه­ی آلومینیوم.................................................................................. 100

6-1-3-4- باز کردن ته حفره­ها................................................................................................ 100

6-2- انباشت در قالب............................................................................................................................... 100

6-2-1- الکتروانباشت به روش مستقیم........................................................................................ 100

6-2-1-1- آماده­سازی نمونه جهت انباشت مستقیم.......................................................... 100

6-2-1-2- روش کار..................................................................................................................... 102

6-2-2- الکتروانباشت به روش تناوبی........................................................................................... 102

6-2-2-1- آماده­سازی نمونه جهت انباشت تناوبی.............................................................. 103

6-2-2-2- روش کار..................................................................................................................... 103

عنوان صفحه

 

6-2-2-2-1- الکتروانباشت نانوسیم­های Sn.................................................................. 104

6-2-2-2-2- الکتروانباشت نانوسیم­های Zn.................................................................. 106

6-2-2-2-3- الکتروانباشت نانوسیم­های نقره................................................................. 109

6-2-2-2-4- الکتروانباشت نانوسیم­های Ag/Zn ........................................................ 111

6-2-3- الکتروانباشت به روش پالسی........................................................................................... 113

6-2-3-1- آماده­سازی نمونه جهت انباشت پالسی.............................................................. 113

6-2-3-2- روش کار.................................................................................................................... 113

6-2-3-2-1- الکتروانباشت پالسی نانوسیم­های Zn..................................................... 113

6-3- آماده­سازی نمونه­ها جهت تهیه­ی تصویر SEM .............................................................. 116

6-4- آماده­سازی نمونه­ها جهت تهیه­ی تصویر XRD............................................................... 117

6-5- اکسید کردن نمونه­ها............................................................................................................... 118

6-6- مقاومت­سنجی نمونه­ها............................................................................................................. 120

6-6-1- مقاومت­سنجی بدون انحلال لایه­ی سدی..................................................................... 120

6-6-2- مقاومت­سنجی با انحلال لایه­ی سدی از روی کار...................................................... 120

6-6-3- مقاومت­سنجی با انحلال لایه­ی سدی از پشت کار..................................................... 121

6-7- تخمین مقدار مقاومت تقریبی تک نانوسیم Zn..................................................................... 125

 

فصل هفتم: بحث و نتیجه گیری

بحث و نتیجه ­گیری..................................................................................................................................... 128

 

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

فهرست جدول ها

 

عنوان صفحه

جدول (2-1) روش­های رایج تولید نانومواد.............................................................................................. 8

جدول (3-1) نیمه­هادی­هایی که امروزه مورد استفاده قرار می­گیرند............................................... 23

جدول (3-2) مقاومت ویژه­ی تقریبی مواد مختلف................................................................................ 30

جدول (3-3) انرژی جنبشی و چگالی حالات برای ابعاد مختلف مواد نیمه­هادی........................ 30

جدول (6-1) آندایزهای انجام گرفته با اهداف انباشتی و شرایط آن­ها............................................ 91

جدول (6-2) شرایط ولتاژ و فرکانس­ در آزمایش­های انباشت –آندایز انجام شده

در آزمایشگاه برای انباشت قلع.................................................................................................................... 104

جدول (6-3) خلاصه­ای از آزمایش­های انجام شده جهت تشکیل نانوسیم­های Zn و

شرایط آندایز و انباشت آن­ها........................................................................................................................ 107

جدول (6-4) مقاومت دوسر نمونه­های انباشتی با روکش طلا قبل و بعد از اکسایش................. 123

فهرست شکل ها

عنوان صفحه

 

شکل (2-1) اساس كار ميكروسكوپ الکترونی عبوری......................................................................... 11

شکل (2-2) نمایی کلی از اجزای اصلی میکروسکوپ الکترونی روبشی.......................................... 13

شکل (3-1) چگالی حالات برحسب انرژی الکترون­ها برای سیستم سه بعدی............................. 28

شکل (3-2) نمایشی از ابعاد مواد نیمه­هادی و نمودارهای چگالی حالات آن­ها............................. 31

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 رژیم........................................................ 48

شکل (4-3) نمودار رویهم افتادن فرایندهای رخ داده در طول رشد اکسید متخلخل

تحت رژیم آندایز پتانسیل ثابت................................................................................................................... 49

شکل (4-4) (الف) طرح پالس استفاده شده در آندایز پالسی با پتانسیل­های U_MA

دنبال شده با U_HA در مدت زمان­های_MA ז و _HAז .................................................................................... 53

شکل (4-5) نمودار الگووار توزیع جریان در شروع و گسترش رشد حفره­ها بر

آلومینای آندایزی.............................................................................................................................................. 55

شکل (4-6) نمایی از حرکت یون­ها و انحلال اکسید در محلول سولفوریک اسید....................... 57

شکل (4-7) الف) نمونه­ی اولیه­ی AL قبل از الکترپالیش ................................................................ 63

شکل (4-8) نمایشی از الگودهی سطح آلومینیوم با استفاده از یک الگوی خارجی.................... 64

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 مستقیم....................... 82

شکل (5-3) نمایش دو نوع پالس مربعی و سینوسی برای الکتروانباشتشیمیایی..................... 84

شکل (5-4) نمایی از مراحل تهیه­ی نانوسیم­های سولفیدی با استفاده

از قالب آلومینای آندیک متخلخل و روش انباشت الکتروشیمیایی متناوب...................................... 86

شکل (6-1) دستگاه پانج موجود در آزمایشگاه لایه­نشانی جهت برش ورقه­ی

آلومینیوم به شکل قرص­هایی با قطر cm2/1.......................................................................................... 89

شکل (6-2) سمت راست قبل از سوار شدن فلنچ بر روی راکتور و سمت چپ

بعد از سوار شدن آن........................................................................................................................................ 90

شکل (6-3) نمودار پالیش یک قطعه آلومینیوم در محلول پرکلریک اسید و اتانول

به نسبت حجمی یک به چهار..................................................................................................................... 91

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 v130............................................................................................................................................................ 94

شکل (6-6) نمودار جریان، ولتاژ و بار برحسب زمان در آندایز با اکسالیک M4/0

و سولفوریک M02/0 در V130.................................................................................................................. 94

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 است.................................................................................................................... 97

شکل (6-9) دستگاه قابل برنامه­ریزی ولتاژ و فرکانس ac/dc مدل EC1000S

موجود در آزمایشگاه لایه­نشانی..................................................................................................................... 98

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 شیراز......................................................................................................................... 102

شکل (6-12) تصویر میکروسکوپی SEM از نانوسیم­های Sn بیرون زده از

حفره­های قالب آلومینای آندیک متخلخل.................................................................................................. 105

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 متخلخل............................................................................................................................... 109

شکل (6-18) الف) تصویر سطحی قالب آلومینای آندیک، انباشتی با نانوسیم­های

Ag تهیه شده با میکروسکوپ SEM......................................................................................................... 110

شکل (6-18) ب) تصویر سطح مقطع قالب آلومینای آندیک نازک­سازی شده بهراه

نانوسیم­های Ag درون حفره­ای.................................................................................................................. 110

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 AAO............................................................................................................................... 112

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 انباشت........................................... 115

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 برداری......................................... 116

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 ساعت........................................................ 119

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 شده..................................................... 126

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 .اصطلاح نانوتکنولوژی در سال 1974بوسیله­ی محقق ژاپنی نوریو تانیگوچی به منظور مهندسی در مقیاس طول کمتر از میکرومتر ایجاد شد .بعدها ابداع میکروسکوپ الکترونی و انواع آن، توانایی دید مواد در مقیاس نانو را به ما داد .

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 .

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 کشیدگیبین 1 تا 20 با دیمانسیونی کوچک از مقیاس nm100-10 می­باشد.

یک "نانوسیم"[4]جسمی با کشیدگی بزرگتر از 20 با دیمانسیونnm100-10 است .

نانوسیم­ها در دو بعد محدود و تنها در یک بعد گسترش یافته­اند، بنابراین هدایت الکتریکی آنها از مواد کپه­ای[5] 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 .

 1-2- روش­های ساخت آرایه­ای از نانوسیم­ها

 بطور کلی دو روش جهت ساخت نانوسیم­ها بصورت آرایه­ای وجود دارد :

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 .

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 .

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 صورتگیرد .

 1-4- پرکردن حفره­ها به روش الکتروانباشت شیمیایی

 سه روش جهت انباشت مواد مختلف داخل آلومینای حفره­دار وجود دارد، که شامل انباشت بوسیله­ی ولتاژمستقیم، 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 .

 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.