تغییر خواص ( نانو ذره )(NanoParticles)  بر پایه نانو الکترونیک (مهندسی میکرو _ نانو الکترونیک)

نویسنده و پژوهشگر: دکتر ( افشین رشید)


نکته: بر این اساس مواد به چهار دسته نانوذرات (NanoParticles)، نانوسیم‌ها (NanoWiers)، لایه‌های نازک (Thin Films) و نانومواد حجیم (Bulk Nanomaterials) تقسیم می‌شوند.

نانومواد بر حسب ابعادی از آن‌ها که در مقیاس نانو قرار دارد، به چهار دسته نانومواد صفر بعدی، یک بعدی، دو بعدی و نانومواد حجیم سه بعدی تقسیم‌بندی می‌شوند که با روش‌های بالا به پایین یا پایین به بالا می‌توان آن‌ها را تولید کرد. نانومواد به دلیل اندازه بسیار کوچک خود، خواص ویژه و بعضاً متفاوت با دیگر مواد معمولی را از خود نشان می‌دهند. 


به طور کلی مواد دارای سه بعد طول، عرض و ارتفاع هستند. اگر حداقل یکی از این ابعاد در مقیاس فناوری نانو (100-1 نانومتر) باشد، به آن ماده نانوساختار گفته می‌شود. مواد نانوساختار بر حسب این که چند بعد در مقیاس فناوری نانو داشته باشند، تقسیم‌بندی‌های مختلفی می‌شوند. یکی از این تقسیم‌بندی‌ها بر حسب تعداد ابعاد آزاد است. منظور از بعد آزاد، بعدی است که در مقیاس نانو نباشد و هر مقداری بتواند داشته باشد.


ساختارهای انرژی (تراز یا نوار) مواد در راستای هر کدام از ابعاد طول، عرض و ارتفاع وجود دارد. به عبارت دیگر هر جسم سه‌بعدی دارای سه ساختار انرژی مجزا در راستای سه بعد خود است که برآیند آن‌ها ساختار انرژی کل ماده را بیان می‌کند. ابعادی از مواد نانوساختار که در مقیاس نانو هستند، اصطلاحاً محدودیت کوانتومی (Quantum Confinement) دارند. برای مثال لایه‌های نازک که در یک بعد دارای ترازهای انرژی گسسته هستند. محدودیت کوانتومی به این معنی است که به دلیل محدودیت ابعاد در مقیاس نانو، نوارهای انرژی به صورت گسسته در می‌آید و هر چه محدودیت بیشتر باشد (ابعاد کوچک‌تر باشد)، فاصله ترازهای انرژی از هم بیشتر می‌شود. بنابراین یکی از تفاوت‌های اصلی انواع مختلف مواد نانوساختار در تعداد نوارهای انرژی پیوسته و ترازهای انرژی گسسته در سه بعد است که منجر به تغییرات زیادی در خلوص آن‌ها می‌شود.

تهیه نانو ذرات NanoParticles : 

تجمعی از واحدهای سازنده (اتم یا مولکول) با اندازه‌ای بین 1 تا 100 نانومتر را نانوذرات می‌گویند. از لحاظ تعداد اتم، معمولاً ذراتی که بین 10 تا 106 اتم دارند را نانوذرات می‌گویند. ذراتی که بین 1 تا 10 اتم دارند، معمولاً مولکول‌ها هستند. البته در بعضی موارد مخصوصاً در مورد مولکول‌های زیستی، مولکول‌هایی پیدا می‌شود که تا 25 اتم نیز دارند.
به طور کلی با تغییر اندازه نانوذرات در محدوده 1 تا 100 نانومتر، نسبت سطح به حجم و فاصله ترازهای انرژی تغییر می‌کند. این دو متغیر عامل بسیاری از تغییر خواص و ویژگی‌ها هستند. به عبارت دیگر با کنترل اندازه نانوذرات می‌توان خواص آن‌ها را کنترل کرد که از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

خواص و ویژگی های ناتو ذرات برای ساخت نانو قطعات الکترونیکی (NanoParticles)

خواص و ویژگی‌های نانوذرات به طور کلی به جنس و اندازه آن‌ها بستگی دارد و کاربردهای بسیار زیادی در صنایع گوناگون از جمله نانو الکترونیک دارند که بررسی همه آن‌ها امکان‌پذیر نیست. همه خواص و ویژگی‌هایی که در نانوذرات ایجاد می‌شود را می‌توان با دو عامل افزایش سطح نسبت به حجم و گسسته شدن ترازهای انرژی توجیه کرد. 

خواص نوری نانو ذرات(NanoParticles)

به طور کلی وقتی نور به یک اتم برخورد می‌کند، ممکن است جذب، بازتاب یا عبور کند. در صورتی که انرژی فوتون نور (امواج الکترومغناطیس) فرودی (فوتون ذرات تشکیل‌دهنده امواج الکترومغناطیس است. انرژی فوتون نور برابر با E=hf است. در این رابطه h ثابت پلانک و f فرکانس موج فرودی است و مقدار ثابت پلانک Js 6.63×10-34 است)، برابر با فاصله بین ترازهای انرژی اتم باشد، الکترون‌های موجود در ترازهای انرژی اتم، انرژی نور را جذب و به ترازهای انرژی بالاتر برانگیخته می‌شوند.


جذب نور در مواد معمولی که نوار انرژی پیوسته دارند نیز اتفاق می‌افتد و الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار رسانش منتقل می‌شوند (البته در اینجا انرژی گرمایی نیز می‌تواند باعث برانگیختگی الکترون‌ها به نوار رسانش شود).  نیز سازوکار جذب نور در نانوذرات نیز مانند اتم‌ها دارای ترازهای انرژی گسسته هستند. از این‌رو به نانوذرات اتم‌های مصنوعی نیز گفته می‌شود. همچنین به نانوذرات زیر 10 نانومتر، نقطه کوانتومی (Quantum Dot) گفته می‌شود.

نکته مهم: می‌توان ابعاد نانوذرات از جنس مشخص را طوری تنظیم کرد که امواج فروسرخ، فرابنفش، رادیویی و غیره را جذب کنند. از این خاصیت در صنایع نظامی و الکترونیک استفاده‌های زیادی می‌شود.


با تغییر اندازه نانوذرات فاصله ترازهای انرژی در آن‌ها تغییر می‌کند. هر چه اندازه نانوذرات کوچک‌تر شود، فاصله بین ترازهای انرژی بیشتر می‌شود و هر چه اندازه بزرگ‌تر باشد، فاصله بین ترازهای انرژی کمتر می‌شود. این نکته باعث می‌شود که بتوان با تغییر اندازه نانوذرات، فاصله بین ترازهای انرژی آن‌ها را طوری تنظیم کرد که امواج خاصی را جذب با فرکانس مشخص کنند. 

خواص الکترو مغناطیسی نانو ذرات(NanoParticles) در ساخت نانو ترانزیستورها و نانو چیپ ها

 در طبیعت سه عنصر آهن، نیکل، کبالت و ترکیب سایر عناصر با این سه عنصر خواص مغناطیسی دارند. عناصر یا ترکیبات دیگر به تنهایی خواص مغناطیسی ندارند. در دنیای اطراف ما آهن‌رباها و مواد مغناطیسی کاربرد بسیار زیادی دارند. یکی از تغییر خواص جالب و بسیار کاربردی که در ابعاد نانو ایجاد می‌شود، این است که بسیاری از موادی که در ابعاد معمولی خواص مغناطیسی ندارند اما زیر یک اندازه مشخص در محدود فناوری نانو می‌توانند خواص مغناطیسی داشته باشند. برای مثال می‌توان به نانوذرات اکسید آلومینیوم، طلا و غیره اشاره کرد. این امر باعث می‌شود محدودیت ذکر شده در بالا برداشته شود و با توجه به محدود وسیع کاربرد مواد مغناطیسی، مواد جدیدی با خواص بهبود یافته تولید شود.  و در ساخت نانو ترانزسیتورها و نانو چیپ ها کاربرد دارد.


دلیل ایجاد خواص مغناطیسی در موادی که در ابعاد معمولی خواص مغناطیسی ندارند، افزایش بسیار زیاد سطح و ایجاد پیوندهای شکسته شده روی سطح است. هنگامی که یک پیوند برقرار می‌شود، دو الکترون در یک اوربیتال در دو جهت مخالف هم قرار می‌گیرند. این طرز قرار گرفتن باعث می‌شود تا میدان‌های مغناطیسی یکدیگر (الکترون‌ها ذرات باردار هستند. از حرکت ذرات باردار، اطراف آن‌ها میدان مغناطیسی تولید می‌شود. در اتم الکترون‌ها هم دارای دو نوع حرکت اسپینی (به دور خود) و مداری (به دور هسته) هستند که باعث ایجاد میدان مغناطیسی اطراف آن‌ها می‌شود) را خنثی کنند (همان‌طور که می‌دانید میدان مغناطیسی یک کمیت برداری است و جهت آن هم از اهمیت بالایی برخورد است). اما پیوند شکسته شده یا ناقص به این مفهوم است که در اوربیتال یک تک الکترون موجود است و الکترون دیگری میدان مغناطیسی آن را خنثی نمی‌کند. در مقیاس نانو چون کسر اتم‌های روی سطح و پیوندهای شکسته شده خیلی زیاد است، باعث می‌شود اکثر مواد بتوانند خواص مغناطیسی داشته باشند.

  • نویسنده و پژوهشگر: دکتر ( افشین رشید)


    •