2-3-2-1-1- روش تبخیر گرمایی20
2-3-2-1- 2- روش تبخیر توسط باریکه‌ی الکترونی21
2-3-2-1- 3- روش برآرایی توسط باریکه مولکولی (MBE)23
2-3-2-1- 4 – روش لیزری پالسی (PLD)24
2-3-2-1-5 – روش تبخیر به کمک شعاع یونی (IBAD)25
2-3-2-2 – روش کندوپاش26

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

2-3-2-2 – 1- روش کندوپاش با جریان مستقیم (DC)27
2-3-2-2 -2- روش کندوپاش با امواج رادیویی (RF)28
2-3-2-2 -3- روش کندوپاش با شتابدهنده مغناطیسی29
2-3-2-3- روش چرخشی ( اسپینی )30
2-3-2-4- سل – ژل30
2-3-2-5- هیدروترمال32
2-3-2-6- آندایزکردن32
2-3-2-7- روش صفحه گذاری33
2-3-2-7- 1- روش صفحه گذاری با الکتریسیته ( الکترولیز )33
2-3-2-7- 2- صفحه گذاری بدون الکتریسیته34
2-3-2-8- روش‌های شیمیایی تبخیری35
عنوان صفحه
فصل سوم: خواص و ویژگیهای نیمه‌رساناها
3-1 – مقدمه38
3-2 – خواص اساسی نیمه‌رساناها39
3-2-1- ساختار نواری39
3-2-2- گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمه‌رساناها40
3-2-3- انتقال حامل در نیمه‌رسانا41
3-3 – اکسید روی44
3-3-1- ساختار بلوری اکسید روی46
3-3-2- خواص مهم اکسید روی50
3-4- روش‌های ساخت نانوساختارهای اکسید روی51
3-4-1- ساخت نانوسیم‌‌های اکسید روی52
3-4-1- 1- رشد فاز بخار52
3-4-1- 2- رشد فاز مایع53
الف – روش هیدروترمال53
الف – 1- تأثیر روش ‌بذر گذاری بر روش هیدروترمال55
الف – 2- تأثیر مدت زمان رشد بر روش هیدروترمال57
الف – 3- تأثیر PH محلول اولیه بر روش هیدروترمال58
الف – 4- تأثیر جنس زیرلایه بر روش هیدروترمال59
الف – 5- تأثیر دمای رشد بر روش هیدروترمال59
الف – 6- تأثیر مواد افزودنی بر روش هیدروترمال60
الف – 7- تأثیر HTMA در شکل‌گیری نانوسیم‌ها در روش هیدروترمال60
الف -8- تأثیر عوامل دیگر بر روش هیدروترمال61
ب – سایر روش‌های سنتز فاز محلول61
3-4-2- ساخت نانوحفره‌‌‌های اکسید‌روی62
عنوان صفحه
3-4-2- 1- ساخت به روش سلول الکتروشیمیایی52
فصل چهارم: کاربردهای اکسیدروی
4-1 – مقدمه69
4-2 – حسگرها70
4-2-1-حسگرگازی70
4-2-2- زیست‌حسگرها71
4-3 – خاصیت فوتو‌کاتالیستی71
4-4 – سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای72

4-4-1- اجزای تشکیل دهنده‌ی سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه73
4-4-1-1- زیرلایه73
4-4-1-2- فوتو آند74
4-4-1-3- الکترولیت74
4-4-1-4- الکترود شمارشگر (کاتد)75
4-4-1-5- جاذب نور75
4-4-2- اصول عملکرد سلول خورشیدی رنگدانه‌ای76
فصل پنجم: تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی
5-1 – مقدمه78
5-2- تمیزکاری77
5-3- تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی79
عنوان صفحه
5-3-1- رشد نانوسیم اکسیدروی بر روی نانوحفره اکسیدروی80
5-3-1-1- تولید نانوحفره80
5-3-1-2- تولید نانوسیم81
5-3-1-2- 1- تولید پوشش دانه‌ای82
5-3-1-2- 2- رشد آرایه‌های نانو‌سیمی به روش هیدروترمال82
5-3-1-3- بررسی اثر ولتاژ بر روی شکل‌گیری نانوساختارها85
5-3-2- رشد نانوحفره‌ها بر روی لایه نازک از نانوسیم اکسیدروی87
5-4- ساختار بلوری…………89
5-5- بررسی خواص نوری90
5-6 – ساخت سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه93
5-6-1- آماده‌ سازی الکترود کار در سلول خورشیدی رنگدانه‌ای39
5-6-2- آماده‌ سازی الکترود مقابل در سلول خورشیدی رنگدانه‌ای93
5-6-3- آماده‌ سازی الکترولیت در سلول خورشیدی رنگدانه‌ای93
5-6-4- بستن سلول خورشیدی رنگدانه‌ای94
5-6-5- مشخصه‌یابی سلول‌ خورشیدی رنگدانه‌ای94
فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات………………………………………………………………..96
مراجع………………………………………………………………………………………………………………………………………..100
چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول (3-1) خواص مهم اکسید روی 50
جدول (3-2) قطر و طول نانومیله‌های اکسیدروی متناسب با ضخامت لایه بذرگذاری شده.56
جدول (3-3) میانگین قطر نانوسیم‌ها در زمان‌های مختلف 58
فهرست شکلها
عنوان صفحه

شکل (2-1) مقایسه روش بالا به پایین و روش پایین به بالاتولید نانو ذرات……………………………………..12
شکل (2-2) نمودار درختی روشهای فیزیکی لایهنشانی …………………………………………………………………..18
شکل (2-3) نمودار درختی روشهای شیمیایی لایهنشانی…………………………………………………………………..19
شکل (2-4) طرحواره‌ای از روش لایه‌نشانی تبخیری ………………………………………………………………………..21
شکل (2-5) طرحواره‌ای از دستگاه لایه نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی……………………………22
شکل (2-6) طرحواره‌ای از لایهگذاری منظم پرتوی مولکولی……………………………………………………………23
شکل (2-7) طرحواره‌ای از از دستگاه لایه نشانی لیزری پالسی ………………………………………………………..24
شکل (2-8) طرحواره‌ای از از لایه‌نشانی به روش کندوپاش ………………………………………………………………26
شکل (2-9) طرحواره‌ای از دستگاه لایه‌نشانی کندوپاش RF………………………………………………… 28
شکل (2-10) طرحواره‌ای از روش لایه‌نشانی سل – ژل …………………………………………………………………36
شکل (3-1) نحوه قرارگیری ترازها، نوارها و گاف انرژی…………………………………………………………………….40
شکل (3-2) ساختار بلوری اکسید روی……………………………………………………………………………………………….46
شکل (3-3) ساختار ورتسایت اکسید روی …………………………………………………………………………………………48
شکل (3-4) ساختارهای مختلف اکسید روی ……………………………………………………………………………………51
شکل (3-5) طرح واره ای از بذر گذاری استات روی بر روی بستر شیشه با لایه نشانی چرخشی …………………………………………………………………………………………………………………………57
شکل (3-6) تصویری از یک سلول الکتروشیمیایی را برای رسوب دادن یک فلز، روی یک
الکترود جامد ……………………………………………………………………………………………………………………62
عنوان صفحه
شکل (3-7) طرحواره‌ای از یک دستگاه پتانسیواستات با سل الکتروشیمیایی که با دو امپدانس جایگزین شده است ……………………………………………………………………………………………………….67
شکل (3-8) سلول الکتروشیمیایی سه الکترودی با منبع تغذیه………………………………………………………..67
شکل (4-1) طرحواره و نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای…………………………………………….76
شکل (5-1) شستشوی زیرلایه با استفاده از التراسونیک …………………………………………………………………..79
شکل (5-2) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی …………………………………………………….81
شکل (5-3) طرحواره‌ی راکتور طراحی شده جهت روش هیدروترمال………………………………………………83
شکل (5-4) سامانه استفاده شده برای رشد آرایه‌های نانوسیمی، به روش هیدروترمال……………………83
شکل (5-5) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال………………83
شکل (5-6) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال بر روی زیرلایه صاف و خام FTO……………………………………………………………………………………………84
شکل (5-7) نانوپروس‌های تولید شده توسط الکتروانباشت الف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب) در ولتاژ 1.0 ولت، ج) در ولتاژ 1.5ولت و د) در ولتاژ 2.0ولت ……………………………………………………….85
شکل (5-8) نانومیله‌ها و نانوکلوخه‌های شکل گرفته بر روی زیرلایه‌های تولید شده به روش الکتروانباشت در الف) ولتاژ 5/0 ولت، ب) ولتاژ 1.0 ولت ج) ولتاژ 5/1 ولت و د) ولتاژ 2.0 ولت………………………………………………………………………………………………………………….86
شکل (5-9) تصویرSEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی که بصورت نانومیله هستند در
مرحله‌ی هیدروترمال………………………………………………………………………………………………………….87
شکل (5-10) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی الکتروانباشت
الف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب) در ولتاژ 1.0 ولت ج) در ولتاژ 1.5 ولت
و د) در ولتاژ 2.0 ولت ………………………………………………………………………………………………..88
عنوان صفحه
شکل (5-11) الگوی پراش پرتو ایکس از نانو دیسک‌ها ی اکسید روی تولید شده به روش
الکترو انباشت…………………………………………………………………………………………………….88
شکل (5-12) منحنی جذب نانو سیم‌های اکسید روی، تک مرحله‌ای……………………………………………….90
شکل (5-13) منحنی جذب نانو پروس‌های اکسید روی، تک مرحله‌ای …………………………………………..91
شکل (5-14) منحنی جذب نانوساختار ترکیبی ZnO …………………………………………………………………….92
شکل (5-15) منحنی جریان – ولتاژ سلول خورشیدی حساس شده به رنگ با لایه اکسید‌روی…… 95
فصل اول

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

مقدمه
1- 1- مقدمه ای بر نانوفناوری
نانو فناوری محدودهای از فناوری است که در این محدوده انسان میتواند انواع مواد، وسایل و ابزارها و بطور کلی، سیستمها و سازههای گوناگون را در مقیاس یک میلیاردم متر طراحی کرده و به مرحله ساخت برساند. بطور دقیق مشخص نیست که بشر اولین بار در چه زمانی استفاده از مواد در ابعاد نانو را آغاز کرده است. اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن1 طی یک سخنرانی با عنوان « فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد » ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آیندهای نزدیک می‌توانیم مولکول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقیم دستکاری کنیم. سخنرانی او شامل این مطلب بود که می‌توان تمام دایره‌المعارف بریتانیا را بر روی یک سنجاق نگارش کرد [1[.
واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتانیگوچی2 استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبان‌ها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که محدودیت ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، به کار برد. در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر 3 در کتابی تحت عنوان « موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری ‌نانو » بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق‌تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آن را در کتابی تحت عنوان «‌ نانو‌سیستم‌ها، ماشین‌های مولکولی، چگونگی ساخت و محاسبات آنها » توسعه داد [2[.
فناوری نانو و نانوعلوم در اوایل دهه ۱۹۸۰ با تولد علم خوشه‌ها و اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی آغاز به کار کرد. این توسعه سبب کشف فولرین در سال ۱۹۸۶ و نانولوله‌های کربنی در چند سال بعد شد. تحول دیگر این فناوری مربوط به ساخت نانو بلور‌های نیمه‌هادی بود که منجر به افزایش شدید تعداد نانوذرات اکسید فلزی و نقاط کوانتومی گردید. میکروسکوپ نیروی اتمی ۵ سال بعد از میکروسکوپ تونلی روبشی اختراع شد تا با کمک آن بتوان آرایش اتم‌ها را بررسی کرد.
1-2- فناوری نانو و همگرایی علمی
فناوری نانو به سه شاخه جدا و در عین حال مرتبط با یکدیگر تقسیم می‌شود که بر اساس ساختارهای زیر تعریف می‌شوند:
1-2-1- نانو فناوری مرطوب
این شاخه به مطالعه سیستم‌های زیست محیطی که اساساً در محیط‌های آبی پیرامون وجود دارند، می‌پردازد و چگونگی مقیاس نانو متری ساختمان مواد ژنتیکی، غشاها و سایر ترکیبات سلولی را مورد مطالعه قرار می‌دهد. موفقیت این رشته بوسیله ساختار‌های حیاتی فراوانی که تشکیل شده‌اند و نحوه عملکرد آن‌ها در مقیاس نانویی نظارت می‌شود، به اثبات رسیده است. این شاخه دربرگیرنده علوم پزشکی، دارویی، زیست محیطی و کلاً علوم مرتبط به موجود زنده می‌باشد.
1-2-2- نانو فناوری خشک
این بحث از علوم پایه شیمی و فیزیک مشتق می‌شود و به تمرکز روی تشکیل ساختمان‌های کربنی، سیلیکون و دیگر مواد غیر آلی می‌پردازد. قابل تأمل است که فناوری خشک- مرطوب، استفاده از مواد و نیمه‌هادی‌ها را نیز دربرمی‌گیرد. الکترون‌های آزاد و انتقال دهنده در این مواد آنها را برای محیط مرطوب سودمند می‌سازد. اما همین الکترون‌ها شرایط فیزیکی لازم را فراهم می‌کنند طوری که ساختارهای خشک آنها، در الکترونیک، مغناطیس و ابزارهای نوری استفاده می‌کنند. اثر دیگر که باعث پیشرفت ساختارهای خشک می‌شود این است که قسمت‌های خود تکثیرکننده مشابه ساختارهای مرطوب را دارا هستند.
1-2-3- نانو فناوری تخمینی (محاسبه‌ای)
این مبحث به مطالعه‌ی مدل‌سازی و تولید ساختار‌های پیچیده در مقیاس نانو توجه دارد. توانایی پیش‌بینی و تجزیه و تحلیل محاسبه‌ای در موفقیت نانو تکنولوژی بسیار حائز اهمیت است زیرا طبیعت به تنهایی میلیون‌ها سال وقت لازم دارد که نانو فناوری مرطوب را بصورت کاربردی درآورد. شناختی که بوسیله محاسبه بدست می‌آید و به ما اجازه می‌دهد که زمان پیشرفت نانو فناوری خشک را به چند دهه کاهش دهیم که این تأثیر مهمی در نانو فناوری مرطوب نیز دارد. نانو فناوری تخمینی، پلی است برای ارتباط بین علوم مهندسی، محاسباتی، کامپیوتر و فناوری جدید. با توجه به ساختارهای عنوان شده برای نانو فناوری ، تأثیر متقابل آنها بر یکدیگر و لزوم مشارکت هر سه ساختار برای خلق و توسعه اکثر محصولات نانویی، واضح است که فناوری برتر آینده نقطه تلاقی تفکر و عمل تمامی دانشمندان و محققان علوم مختلف است.
1- 3- لزوم توجه به مقیاس نانوساختار
خواص کوانتومی الکترون های داخل ماده و اثر متقابل اتم ها با یکدیگر، درمقیاس نانو اهمیت ویژه‌ای دارد. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر، امکان کنترل خواص ذاتی مواد از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی وجود دارد. از این رو درسال‌های اخیر توجه زیادی به بررسی نحوه تولید انبوه و خصوصیات نانوسیم ها4 و نانولولهها 5 که از مهمترین مواد نانوساختار می‌باشند، صورت گرفته است که میتوان گفت توسعه الکترونیک و گسترش آن، بستگی به پیشرفت مداوم در تولید این نانومواد دارد. نانوسیم‌ها، نانو ساختارهایی می‌باشند که عمدتاً برای ساختن‌ مدارهای الکتریکی در اندازه‌های کوچک، بکار میروند و باتوجه به خواص ذاتی آن‌ها، زمینه استفاده از آن‌ها را، در کاربردهای نظیر آشکار‌سازهای نوری جدید، تصویر برداری ، ذخیره داده‌ها وکاربردهای دیگر، فراهم کرده است. مهمترین ویژگی نانوسیم‌ها وابسته به اندازه آن‌ها میباشد و بطور کلی ساختار نانوسیم را با طول و قطرش مورد ارزیابی قرار میدهند. نسبت طول به قطر نانو سیم از مهمترین خصوصیاتی است که همواره در تولید نانوسیم‌ها باید مورد توجه قرار گیرد. بطوریکه هرچه قطرنانوسیم کوچکتر باشد، نسبت فوق بزرگتر بوده، که این مسئله باعث افزایش خاصیت اصلی سیم می‌شود که آن را از مواد توده‌ای جدا میسازد]3[. بطور مثال اگر نانوسیمی از جنس نیمه رسانا یا فلز بسازیم، رسانایی الکتریکی و گرمایی متفاوتی خواهد داشت و یا اگر از جنس مواد فرومغناطیس ساخته شود، نانو سیم وادارندگی مغناطیسی بالایی را، از خود نشان می‌دهد]4[. در مورد نانوساختارهای دیگر یعنی نانولوله های کربنی هم کنترل قطر و اندازه و نظم نانولوله ها میتواند ما را به سمت ساخت انواع حسگرهای گازی سوق دهد]5[. پس میتوان نتیجه گرفت که همواره باید در تولید نانوساختارها، به قطر و طول آنها دقت کنیم]6[.

1- 4- نانوساختارهای اکسیدروی
اکسید روی یک نیم‌رسانای شفاف است که دارای گاف انرژی مستقیم در حدود 37/3 الکترون ولت در دمای اتاق می‌باشد، چنین گاف انرژی بزرگی باعث می‌شود که نانو‌ساختارهای اکسید‌روی بهترین کاندیدا برای ساخت لیزرهای ماوراء بنفش باشند. اگر چه گاف انرژی اکسید روی نزدیک گاف انرژی GaN که در حدود 44/3 الکترون ولت است اما آنچه که اکسید روی را منحصر به فرد می‌سازد انرژی بستگی اکسیتونی بزرگ آن است که mev 60 می‌باشد و بسیار بزرگتر از مقدار مربوط به GaN است که mev 21 می‌باشد. افزودن آلاینده‌های مناسب می‌تواند سبب تغییر اندازه گاف انرژی و ویژگی های فیزیکی آن شود. هم چنین به علت این که این نیم رسانا ذاتاً از نوع n است می‌توان با رشد آن بر روی یک زیر لایه ی نوعp به راحتی یک دیود ساخت. علاوه بر این به علت قطبی بودن ساختار بلوری اکسید‌روی این نوع ساختارها خاصیت پیزوالکتریک دارند در نتیجه این مواد می‌توانند در ساخت وسایل پیزوالکتریک نیز مورد استفاده قرار بگیرند. مصارف زیاد اکسید‌روی مربوط به عایق بودن آن در مقابل جریان الکتریسیته، رسانایی گرمایی بالا، خاصیت چسبندگی خوب، قدرت پوشش عالی، مقاومت کافی در مقابل پرتوهای ماورای بنفش، داشتن ثابت دی‌الکتریک متوسط و ضریب شکست بالای آن است. به عنوان نمونه کاربردهای فراوانی در ساخت قطعاتی مانند گسیلنده‌های نوری فرابنفش، قطعات الکتریک شفاف با توان بالا، مبدل‌های پیزوالکتریک، حسگرهای شیمیایی، پنجره‌های هوشمند، سلول‌های خورشیدی گراتزل6، استفاده در صنعت چاپ وصنایع رنگرزی دارد.
بیشتر روش‌هایی که برای تولید مواد نانوساختارهای اکسیدروی مورد استفاده قرار می‌گیرد، محدودیت‌های آزمایشگاهی زیادی دارند و بعضاً مشکل می‌باشند. بطور مثال برخی از این روش‌ها، روش‌هایی پر هزینه و گران می‌باشند و باید در یک شرایط آزمایشگاهی ویژه مثل فشار و دمای بالا، خلاء بسیار زیاد و دیگر شرایط فیزیکی و شیمیایی متفاوت انجام گیرند. این محدودیت‌ها باعث می‌شود نتوانیم به نانوساختار ایده‌آل خود دست یابیم و نکته مهم دیگری نیز که باید به آن اشاره کنیم عدم کنترل فرآیند تولید مواد نانوساختار با استفاده از این روش‌ها می‌باشد. در این پایان‌نامه قصد داریم از روش‌های الکتروانباشت و هیدروترمال در مرحله اول بصورت جداگانه استفاده کرده و در مرحله‌ی بعد نانوساختارهای ترکیبی اکسیدروی را در دماهای مختلف تولید کنیم. همچنین خواص ساختاری و مورفولوژی ساختارهای تولید شده با میکروسکوپ‌ الکترونی روبشی را مورد مطالعه قرار داد. نتایج حاصل نشان دادند که نانو‌ساختارهای تولید شده بدون هیچ‌گونه ناخالصی و با مورفولوژی‌های بسیار متنوع تولید شده‌اند که نشان‌دهنده‌ی زیاد شدن نسبت سطح به حجم می‌باشد. هدف از تولید این نانو‌ساختارها، استفاده آن‌ها در قطعات فوتوولتایی است. در اینجا بهبود عملکرد قطعات فوتوولتایی، از جمله سلول خورشیدی، با استفاده از نانوساختارها را می‌توان داشت.

1- 5- معرفی فصلهای آینده
در این پایان نامه، هدف کلی، بررسی و مطالعه روشهای تولید نانوساختارها مثل ساخت نانوسیم و نانوحفرههای اکسیدروی با استفاده از روش الکتروانباشت و هیدروترمال میباشد. به همین جهت در این فصل مقدمهای از تاریخچه فناوری نانو و اهمیت تحقیق در زمینههای نانو را مطرح کردیم. در فصل دوم مقدمهای از طبقهبندی نانو مواد و روشهای تولید نانوساختارها را مطرح خواهیم کرد. در فصل سوم به معرفی خواص و ساختار بلوری نیمه‌رساناها، به ویژه اکسید روی می‌پردازیم. در فصل چهارم رشد ساختارهای ترکیبی اکسید روی در دماهای مختلف را به دو روش الکتروانباشت و هیدروترمال بررسی می‌کنیم. این روش، شیوه مورد نظر ما برای رشد نانو‌ساختارهای ترکیبی اکسیدروی می‌باشد. در فصل پنجم به بررسی کاربردهای نانوساختارهای اکسید‌روی به ویژه سلول خورشیدی می‌پردازیم. همچنین نحوه ساخت، عملکرد و دلایل اهمیت این قطعه فوتوولتایی را بیان خواهیم کرد. درفصل ششم با بررسی نتایج آزمایش‌ها و محاسبه‌های انجام شده، بحث و نتیجه‌گیری لازم ارائه خواهد شد.

فصل دوم
طبقه بندی و روش‌های سنتر نانو مواد
2-1- مقدمه
روش‌های تولید نانو ساختارها بطور کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند : روش‌های بالا به پایین که به گردآوری اجزا با مقیاس کوچک، به طور مستقیم، از قطعات بزرگتر اشاره دارند، مانند سونش، لیتوگرافی و روش‌های پایین به بالا که مطابق با مرتب کردن اجزا نانو مقیاس، با استفاده از خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها برای تشکیل ساختارهای بزرگتر می‌باشد. این فرآیندها بیشتر شبیه به روش‌های طبیعی تشکیل سیستم‌های پیچیده بیولوژیکی هستند و جایگزین مناسبی برای روش‌های بالا به پایین می‌باشند مانند روش سل – ژل، روش انباشت الکتروشیمیایی، روش هیدرترمال و … .
با توجه به اینکه یکی از اهداف این پایان‌نامه ساخت نانوساختارهای ترکیبی اکسیدروی می‌باشد، دراین فصل انواع روش‌‌های ساخت نانوساختارها را مطرح خواهیم کرد.
2-2- طبقه بندی نانو مواد از نظر ابعاد
با توجه به اینکه مقیاس مورد بحث در نانوفناوری در حدود 1 تا 100 نانومتر میباشد، می‌توان نانو مواد را در 4 گروه طبقه بندی کرد. در ادامه این نوع نانو مواد را معرفی می‌کنیم:
2-2-1- نانو مواد صفر بعدی
موادی هستند که تمام ابعاد آنها در محدوده نانومتر میباشد ( هیچ یک از ابعاد آن بزرگتر از 100 نانومتر نیست). حالت معمول مواد نانومتری صفر بعدی، نانو ذرات هستند.
نانو ذرات میتوانند :
بصورت آمورف یا بلوری،
تک بلور با چند بلور،
ترکیبی از یک یا چند عنصر،
فلزی، سرامیکی و یا پلیمری باشند.
2-2-2- نانو مواد یک بعدی
مواد نانومتری یک بعدی نسبت به صفر بعدی به دلیل اینکه یکی از ابعاد آنها بزرگتر از محدوده نانومتر است متفاوت هستند. این تفاوت در ابعاد مواد آنها را به سمت شکل سوزنی سوق میدهد. مواد نانومتری یک بعدی شامل نانو لولههای کربنی، نانو میلهها و نانو سیمها هستند.
مواد نانومتری یک بعدی میتوانند:
بصورت آمورف یا بلوری،
بصورت تک بلوری یا چند بلوری،
با ترکیب شیمیایی خالص یا با ناخالصی،
بصورت فلزی، سرامیکی و یا پلیمری باشند.
2-2-3- نانو مواد دو بعدی
مواد نانومتری دوبعدی مقداری برای دسته بندی مشکل هستند. با فرض تعریف فوق برای مواد صفر بعدی و یک بعدی، مواد نانومتری دو بعدی موادی هستند که دو بعد آنها از محدوده نانومتر(100نانومتر) بیشتراست. در نتیجه آنها دارای اشکال صفحهای میباشند. مواد نانومتری دو بعدی شامل نانو فیلم ها، نانو لایه ها، و نانوپوششها هستند.
این مواد می توانند :
بصورت آمورف یا بلوری باشند.
از ترکیب شیمیایی مختلفی ساخته شدهاند.
بصورت تک لایه یا ساختار چند لایه هستند.
بر روی زیرلایه رسوب میکنند.
بصورت فلزی، سرامیکی و یا پلیمری میباشند.
2-2-4- نانو مواد سه بعدی
مواد نانومتری حجیم موادی هستند که هیچ یک از ابعاد آنها در محدوده نانو نیست. اگرچه مواد نانومتری حجیم ویژگیهایی در محدوده نانومتر را از خود نشان میدهند. مواد نانومتری حجیم با ابعاد بیشتر از محدوده ابعاد نانو میتوانند ترکیبی از بلورها و دانهها درمحدوده نانومتر باشند که این مواد به نام مواد نانوبلوری نامیده میشوند. همچنین نانو کامپوزیت ها نیز در این دسته قرار می‌گیرند.
2-3- روشهای سنتر عناصر پایه
روشهای ساخت عناصر پایه بسیار گسترده میباشد اما به طور کلی روش‌های تولید عناصر پایه را می‌توان به دو قسمت عمده تقسیم کرد: روش‌های بالا به پایین و روش‌های پایین به بالا. در روش بالا به پایین برای تولید محصول، مواد حجیم را با استفاده از یک سری از ابزارها، به مواد ریزتر و در نهایت به مواد نانومتری تبدیل می‌کنند. روش پایین به بالا، درست عکس روش بالا به پایین می‌باشد، در این رویکرد محصول از طریق کنار هم قرار دادن مواد ساده‌تر‌ بوجود می‌آید. در حقیقیت با کنار هم قرار دادن اتم‌ها و مولکول‌ها می‌توان برای ساخت مواد نانومتری استفاده کرد [10- 7[ (شکل 2-1).
شکل (2-1) مقایسه روش بالا به پایین و روش پایین به بالا تولید نانو ذرات [10- 7[.
2-3-1- روش بالا به پایین
در این روش یک ماده بزرگ را برداشته و با کاهش ابعاد و شکلدهی آن، به یک محصول به ابعاد نانو تبدیل میشود. بعبارت دیگر اگر اندازهی یک مادهی تودهای بطور متناوب کاهش داده شود، به ماده‌ایی با ابعاد نانومتری میرسیم. این روش ابتدا توسط فایمن مطرح شد. روشهای فرآوری مکانیکی (تغییر شکل‌دهی پلاستیکی شدید، اختلاط شدید، فشرده‌سازی پودر، آسیابهای پرانرژی)، لیتوگرافی (مستقیم (بدون ماسک) و غیر مستقیم (مبتنی بر استفاده از ماسک))، فرآوری حرارتی ( روش بازپخت)، ریسندگی (ریسندگی الکتریکی و مذاب )، سونش و دیگر روش‌ها از جمله روش‌های ساخت در این رویکرد مطرح می‌شوند. در ادامه به بررسی خواص و کاربرد چند مورد پرداخته میشود.
2-3-1-1- تغییر شکلدهی پلاستیکی شدید (SPD)
روش تغییر شکلدهی پلاستیکی شدید7 از روشهای پیشگام برای تولید مواد نانو بلوری توده‌ای است. محدودیت این روش وجود مشکلات مربوط به کنترل آلودگی و اکسیداسیون بالای سطح مؤثر ذرات اولیه میباشد، اما این مزیت را دارد که با ترکیب ذرات مختلف میتواند نانوکامپوزیتها را بوجود آورد.
روش تغییر شکلدهی پلاستیکی شدید تنها برای فلزات قابل کاربرد میباشد. در این روش بلورهای داخل فلزات تحت فشار زیاد و در معرض تنش برشی بالایی قرار میگیرند و این کار موجب کاهش اندازه بلور فلزات تا 20 نانومتر میشود. کاهش اندازه بلور تقریباً در هر نوع فلز باعث افزایش چشمگیر استحکام، و در بسیاری مواد، چکشخواری میشود. بخاطر اینکه چنین روشهایی میتوانند در مقیاس بزرگ اجرا شوند، بسیار بیشتر از سایر روشها برای تجاری‌سازی مورد متوجه هستند.

2-3-1-2- آسیابهای پرانرژی
آلیاژسازی مکانیکی روشی متداول جهت ساخت گستره وسیعی از نانوذرات است. از جمله مزایای این روش می‌توان به سهولت فرآیند تولید، همراه با تعداد مراحل عملیاتی کم، عدم استفاده از مواد پایدار کننده و حلال‌های گرانقیمت، امکان تولید مقدار زیاد محصول و رعایت مسائل زیست محیطی اشاره نمود. این ویژگی‌ها باعث شده تا آلیاژسازی به عنوان روشی ممتاز مورد توجه قرار گیرد.
عملیات آسیاب کاری به عنوان فرآیند مقدماتی آلیاژسازی مکانیکی به شکستن و خرد کردن مواد درشت به ابعاد ریز اطلاق می‌شود. به طور کلی آلیاژسازی مکانیکی نوعی فرآیند آسیاکاری است که در آن مخلوط پودری تحت تأثیر برخوردهای پرانرژی بین اجزای آسیا (گلوله‌ها و محفظه) قرار می‌گیرد. این فرآیند به طور معمول در اتمسفر خنثی انجام شده و برای تهیه پودرهای فلزی و سرامیکی در حالت جامد استفاده می‌شود. جوش سرد و شکست دو پدیده عمده در آلیاژسازی مکانیکی هستند. فرآیند آلیاژسازی تنها تا زمانی ادامه می‌یابد که نرخ جوش خوردن با شکست در تعادل باشد. از آنجا که این فرآیند در حالت جامد انجام می‌شود، امکان تولید آلیاژهای جدید از مخلوط مواد اولیه با نقطه ذوب پایین و بالا را فراهم نموده است.
انواع روشهای آسیاب‌های پرانرژی شامل آسیاب‌های مکانیکی، آسیاب گلوله‌ای- ارتعاشی8، آسیاب‌های ساینده9، آسیاب افقی غلتان 10، آسیابی میله‌ای غلتان11 و دیگر روش‌های مشابه می‌باشد.
2-3-1-3- لیتوگرافی
لیتوگرافی یک واژه یونانی است که از دو قسمت لیتوس به معنای سنگ و گرافی به معنای نوشتن و حکاکی کردن تشکیل شده است. با ترجمه کلمه به کلمه این واژه به صورت حکاکی بر روی سنگ معنی میشود. این روش شامل تشکیل یک طرح لیتوگرافی از یک الگو روی یک ماده الکترونیک و انتقال آن طرح به مادهای دیگر جهت تولید یک ابزار الکترونیکی یا نوری میباشد، در واقع لیتوگرافی یک نوع چاپ صفحه ای است.
روشهای لیتوگرافی بر اساس ابزار مورد نیاز، روش انتقال تصویر و استراتژی الگوگذاری به دو روش تقسیم می‌شوند، که شامل نوشتن (حکاکی) مستقیم بدون ماسک و یا انتقال طرح با استفاده از ماسک نوری با روش‌های متداول تابش و برخی روش‌های توسعه یافته می‌باشد. روش اول تحت عنوان حکاکی ردیفی 12 و روش دوم به عنوان روش‌های تکرار موازی13 شناخته می‌شوند. روش‌های تکرار موازی شامل روش‌هایی همچون لیتوگرافی نوری، چاپ تماسی و لیتوگرافی مهر نانو می‌باشد که برای تولید با بازده بالا و در سطح وسیع کاربرد دارند، با این حال در این روش نمی‌توان طرح‌ها را به صورت دلخواه اعمال کرد. روش حکاکی ردیفی، مانند لیتوگرافی پروب روبشی، امکان تولید الگوهای دلخواه را با تفکیک‌نمایی بالا و ثبت دقیق فراهم می‌کند، ولی بازده و خروجی محدودی دارد [13- 11[.
2-3-1-4- سونش
به فرایند پرداخت و لایه‌برداری از روی سطوح مواد آلی یا معدنی و ایجاد فرورفتگی در آن‌ها به کمک یک ماده خورنده سونش14  میگویند. این فرایند معمولأ به دو صورت خشک یا خیس انجام می‌شود. در روش خشک اقدام به برداشتن لایه‌هایی از روی سطح ماده مورد نظر به صورت فیزیکی و مکانیکی می‌شود. ابزار به کار گرفته شده بسته به ابعاد قطعه و ظرافت ساختار نهایی از سوهان تا شلیک یون متفاوت است. در روش خیس معمولأ از مواد خورنده شیمیایی برای این کار استفاده می‌شود به همین دلیل این روش به اسم سونش شیمیایی شناخته می‌شود.
2-3-2- روش پایین به بالا
در این روش مواد نانو با استفاده از به هم پیوستن بلوکهای سازنده مانند اتمها و مولکولها و قرار دادن آنها در کنار یکدیگر و یا استفاده از خود آرایی تولید میگردند. خود آرایی عبارت است از طراحی مولکولها و ابرمولکولها که اساس تشکیل آنها مکمل بودن شکل ساختاری است. اتم ها و مولکولها همواره در جایی قرار خواهند گرفت که کمترین انرژی آزاد را داشته باشند یعنی به سمت انرژی آزاد منفی تمایل دارند. انرژی آزاد یک سیستم بوسیله استحکام پیوند و آنتروپی تعیین میشود. روشهای مختلف لایه نشانی در این تقسیم بندی جای میگیرند.
ابتدا لایه نازک را تعریف می کنیم. لایه به ماده یا موادی گفته می شود که به صورت پوششی بر یک سطح یا مادهی دیگر سبب ایجاد خواص الکترونیکی فیزیکی و مکانیکی جدیدی شود که نه خصوصیات ماده تشکیل دهندهی لایه را داشته و نه خصوصیات سطحی که لایه بر روی آن انباشت شده است [14 [.
لایههای نازک را بر حسب ماده تشکیل دهندهی لایه به سه بخش لایههای عایق الکتریکی، لایههای نیمه هادی و لایههای رسانا تقسیم میکنند. در لایههای عایق، الکترونهای رسانش حضور بسیار کمی دارند و نوار انرژی هدایت این مواد تقریباً خالی میباشد. چون این لایهها جریان الکتریکی را از خود عبور نمیدهند بنابراین میتوان از آن‌ها در مدارهای مجتمع الکترونیکی به عنوان عایق بین دو لایهی نازک استفاده کرد تا از تأثیر جریان الکتریکی در هر لایه رسانا بر هم جلوگیری شود. یکی از لایههایی که در صنعت الکترونیک و به خصوص در ساخت مدارهای مجتمع بسیار مورد استفاده قرار میگیرد، لایههای نیمههادی میباشد. معمولاً به مواد نیمه‌هادی، مادهای دیگر به عنوان ناخالصی اضافه میشود. اگر مادهای که به عنوان لایه استفاده میشود از جنس مواد رسانا باشد، به این لایهی نازک، لایهی رسانا میگویند. لایه‌های نازک، از دو ویژگی مهم برخوردار هستند: اولین ویژگی، ضخامت زیرمیکرونی آن است که هر چه به اندازه نانو نزدیکتر شود، ویژگی‌های متفاوت‌تری را برای لایه به وجود میآورد. دومین ویژگی آن است که لایه‌ها میتوانند سطوح فوق العاده بزرگی نسبت به ضخامت داشته باشند. این دو ویژگی باعث پدید آمدن خواص متفاوت‌تر، و کاربردی میشوند که در قسمت خواص لایه های نازک به آن پرداخته خواهد شد [17- 15[.
برخی خصوصیاتی که در اثر نازک بودن سطح به وجود میآید شامل افزایش مقاومت ویژه، ایجاد پدیده تداخل نور، پدیده تونل زنی، مغناطیس شدگی سطحی، تغییر دمای بحرانی ابررساناها میباشد. همچنین برخی خصوصیاتی که از بزرگی سطح لایههای نازک ناشی میشود شامل پدیده جذب سطحی فیزیکی و پدیده جذب سطحی شیمیایی، پدیده پخش و فعالسازی میباشد. با توجه به عملکرد و خواص لایه‌های نازک، می‌توان از آنها جهت بهبود تکنولوژی‌هایی نظیر سلول‌های خورشیدی، حسگرها، کاربردهای نوری، مهندسی الکترونیک و فروالکترونیک نیز استفاده نمود. امروزه کاربرد لایه نشانی در صنایع، موضوع توسعه یافتهای است. به گونهای که بخش بزرگی از زندگی مدرن را مدیون توسعه صنعت لایه نشانی میدانند [17و18.[
خواص فیزیکی لایه های نازک عموماً متفاوت از توده ماده است و با توجه به شرایط لایه نشانی و ساختار لایه تشکیل شده، می‌تواند تغییر کند. سرعت لایه‌نشانی، دمای زیرلایه، نوع خلاء، ساختار زیرلایه و تطابق آن با لایه از جمله عوامل تأثیر گذار بر کیفیت لایه نازک می‌باشند. اتمها در فاز بخار، در صورت نفوذ در مکان‌های خاصی روی سطح ماده، سرد شده و موجب رشد لایه می‌گردد که براساس همین مکان‌های خاص سطحی و میزان نیروی پیوند بین اتم‌های لایه و زیرلایه، فرایند رشد لایه نازک تعیین می‌شود.
روشهای لایهنشانی به دو دستهی روش‌های فیزیکی و روش‌های شیمیایی تقسیم میشوند. در هر روش، کیفیت و شرایط لایه نازک متفاوت است که بسته به نوع کاربرد لایه نازک و شرایط مورد نظر، روشهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. شکلهای 2-2 و 2-3 این روشها را که شامل روش‌های فیزیکی و شیمیایی است، نشان می دهد. روشهای لایهنشانی بسته به روند لایه‌نشانی، منبع انرژی و محیط انجام لایه‌شانی نام‌گذاری میشوند [20 – 19و17.[

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید