بررسی و ساخت نانوسیم هاو امکان سنجی تولید میکرومقاومت وکوچک تر از آن برپایه ی قالب آلومینای آندیک
بررسی و ساخت نانوسیم هاو امکان سنجی تولید میکرومقاومت وکوچک تر از آن برپایه ی قالب آلومینای آندیک متخلخل و روش انباشت الکتروشیمیاییچکیده 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 UMA دنبال شده با UHA در مدت زمانهایMA 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 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.
جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |
