EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
0180
filereader.php?p1=main_305c541a9a16433d1

موضوع: مبانی فناوری نانو

فصل: در مقیاس نانو چه روی می‌دهد؟


بخش اول: نانوفیزیک، دریچه‌ای به جهان کوانتومی
بخش دوم: اهمیت سطح در تعیین خواص مواد (1)
بخش سوم: اهمیت سطح در دنیای نانو (2)
بخش چهارم: میکرو، نانو، پیکو


بخش اول: نانوفیزیک، دریچه ای به جهان کوانتومی


نویسنده: بهنام غفاری



مقدمه:

با دلایل اهمیت مقیاس نانو در بخش‌های گذشته آشنا شدید. با این حال به دلایل تفاوت خصوصیات این مواد در مقایسه با مواد بزرگی که تاکنون با آنها سر و کار داشته‌ایم نپرداخته‌ایم. در این مقیاس، نه اتم‌های مواد تغییر یافته است و نه تغییرات اساسی در چیدمان اتمی آنها صورت گرفته است. پس چرا خواص فیزیکی و شیمیایی مواد می‌تواند در مقیاس‌های بسیار کوچک و در جهان نانومتری تغییر کند؟ چه سری در این مقیاس بسیار کوچک نهفته است که این چنین می‌تواند خواص مواد را تحت الشعاع قرار دهد؟


در فصل پیش رو با اصلی‌ترین پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی جهان مقیاس نانو که مسئول تغییر خواص مواد هستند، آشنا خواهید شد. البته در این فصل قصد نداریم به بررسی تمامی ابعاد حوزه خواص در مقیاس نانو بپردازیم، بلکه بیشتر به دنبال پرداختن به برخی از جنبه‌های اصلی علم نانو هستیم که برای درک خواص جالب توجه و غیرعادی این دسته از مواد ضروری است.


خواص ماکروسکوپی یک ماده همانند نقطه ذوب، نقطه جوش و رسانایی الکتریکی، از طریق مطالعه نمونه‌ای که به قدر کافی برای اندازه‌گیری در شرایط معمول آزمایشگاهی بزرگ است، صورت می‌پذیرد. هنگامی که نقطه ذوب یک مول آب اندازه‌گیری می‌شود، در حقیقت رفتار تعداد بسیار زیادی از مولکول‌های آب مورد بررسی قرار می‌گیرد و فرض می‌شود که نتیجه بدست آمده برای هر تعداد از مولکول‌های آب نیز صادق است. این امر برای تمامی مواد درست نیست! هنگامی که اندازه مواد کاهش یافته و به ابعاد نانومتری می‌رسد، ممکن است رفتار و خصوصیات کاملا متفاوتی نسبت به همان ماده در ابعاد بزرگ دیده شود.


به بیانی دیگر، خواص مواد می‌تواند وابسته به اندازه آن باشد. این واقعیت می‌تواند با این حقیقت شناخته شده که خواص مواد (جامد، مایع و گاز) تنها به اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل دهنده‌ی ماده و نوع پیوند آنها و یا به چیدمان اتم‌ها مرتبط است، تناقض داشته باشد. در گذشته از اندازه‌ی مواد به عنوان یک عامل اساسی در تعیین خواص مواد یاد نمی‌کردیم. همه دانش‌آموزان احتمالا تنها یک رنگ را برای طلا جدای از بزرگی یا کوچکی آن در نظر داشته‌اند. این امر در ابعاد ماکرو و میکرو صادق است. ولی همه چیز در ابعاد نانو تعییر یافته که در نتیجه‌ی آن خواص مواد ممکن است دستخوش تغییرات اساسی گردد.


دانسته‌ایم که موادی که در مقیاس نانومتری دسته‌بندی می‌شوند تنها از تعدادی خوشه که شامل اتم‌ها و مولکول‌ها است، تشکیل شده است. کوچکی این مواد با آنچه که تاکنون از اجسام کوچک در نظر داشته‌ایم بسیار متفاوت است. نانومواد از الکترون‌ها و اتم‌های منفرد بزرگ‌تر ولی از اجسام بسیار ریزی همچون سلول‌ها و باکتری بسیار کوچک‌تر هستند. در حقیقت این گروه از مواد از لحاظ اندازه مابین اندازه‌ی اتم‌های منفرد و مواد و اجسام معمول‌اند. این نزدیکی به ابعاد اتمی چگونه بر خواص فیزیکی و شیمیایی مواد اثر می‌گذراد؟ بنابراین باید به بررسی پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی در این مقیاس کوچک بپردازیم.


1- فیزیک در مقیاس نانو

نانومواد از لحاظ ابعاد و اندازه به اتم‌های منفرد و مولکول‌ها نزدیک‌تر هستند تا به اجسام توده‌ای. در نتیجه برای توضیح رفتار آنها نیاز است تا نه از فیزیک کلاسیک بلکه از مکانیک کوانتومی استفاده کنیم. شاید این عبارت برای برخی از شما ناآشنا باشد. به بیان کلی مکانیک کوانتومی مدلی علمی است که برای توصیف سرعت و انرژی اتم‌ها و الکترون‌ها توسعه یافته است. از آنجا که مکانیک کوانتومی مبحث گسترده‌ای است و برای درک بهتر آن نیاز به آشنایی بیشتر دانش‌آموزان با مفاهیم فیزیکی است، در این بخش نمی‌خواهیم به شرح مکانیک کوانتوم و بیان جزئیات آن بپردازیم و تنها به بیان مهم‌ترین اثرات کوانتومی و خواص فیزیکی مرتبط با جهان نانو اکتفا می‌کنیم. این اثرات به صورت بسیار خلاصه به شرح زیر معرفی شده‌اند. شاید در این مرحله از فرآیند یادگیری علم نانو، درک کامل برخی از آنها دشوار به نظر برسد. صبر داشته باشید. با اثرات این پدیده‌ها در فصل‌های آینده بیشتر آشنا خواهید شد.


الف) به دلیل اندازه بسیار کوچک نانومواد، جرم آنها بسیار کم بوده و در نتیجه اثر نیروی گرانشی قابل صرف نظر کردن است. لذا در تعیین رفتار اتم‌ها و مولکول‌ها، اثر نیروهای الکترومغناطیسی غالب است. یکی از مباحث جالب توجه در مکانیک کوانتومی پدیده دوگانگی موج و ذره است. برای اجسام با جرم بسیار کم همانند الکترون‌ها، بیشتر رفتار موجی مطرح است. در نتیجه الکترون‌ها رفتار موجی از خود نشان داده و موقعیتشان از طریق یک تابع موج (احتمال) نشان داده می‌شود.


ب‌) یکی از نتایج مکانیک کوانتومی، پدیده تونل‌زنی است. در پدیده های فیزیک کلاسیک، یک جسم تنها زمانی می تواند از یک سد (سد پتانسیل) عبور کند که انرژی کافی برای پریدن از آن سد را داشته باشد. بنابراین اگر جسمی انرژی کم‌تری از میزان کافی برای پریدن از روی مانع را داشته باشد، احتمال حضور آن جسم در آن سوی مانع صفر است. اما در فیزیک کوانتومی یک ذره با انرژی کم‌تر از انرژی مورد نیاز برای پریدن از یک مانع، احتمال کمی دارد که آن سوی مانع دیده شود! به صورت تمثیلی می‌توان اینگونه تصور کرد که ذره از طریق یک تونل مجازی از مانع عبور می‌کند (شکل 1 را مشاهده کنید). باید به این نکته توجه کرد که شرط لازم برای وقوع پدیده تونل‌زنی آن است که ضخامت مانع باید نزدیک به طول موج ذره باشد. در نتیجه این پدیده تنها در ابعاد نانومتری روی می‌دهد. در واقع پدیده تونل‌زنی نفوذ یک الکترون به یک منطقه انرژی است که از لحاظ کلاسیک ممنوع است.


پدیده تونل‌زنی پایه یکی از مهم‌ترین ابزارهای تصویربرداری از سطح مواد نانوساختار به نام میکروسکوپ تونلی روبشی یا STM است. از این دستگاه به منظور تولید ابزارهای نانومتری نیز استفاده می‌شود. با این میکروسکوپ در فصل معرفی تجهیزات نانو بیشتر آشنا خواهید شد.

filereader.php?p1=main_8f3556300b355d9dd

شکل 1: نمای شماتیک از پدیده تونل‌زنی


ج‌) محدودیت کوانتومی: در یک نانوماده همچون نانوساختارهای فلزی، آزادی حرکت الکترون‌ها در فضا برخلاف مواد معمول توده‌ای محدود شده است.


د‌) حرکت تصادفی مولکولی: مولکول‌ها به واسطه‌ی انرژی سینتیکی خود حرکت می‌کنند. این پدیده را حرکت تصادفی مولکولی می‌نامند. در مقیاس ماکروسکوپی این حرکت در مقایسه با اندازه مواد بسیار کوچک است و در نتیجه بر چگونگی حرکت مواد اثری ندارد. با این حال در مقیاس نانومتری این حرکت در مقیاسی نزدیک به اندازه ذرات است و در نتیجه اثر مهمی در رفتار نانوذرات دارد.


ه‌) کوانتیده شدن انرژی: الکترون‌ها تنها می‌توانند در ترازهای انرژی مشخص و جداگانه حرکت کنند. نقاط کوانتومی نانوموادی هستند که این پدیده را به خوبی نشان می‌دهند. برای درک بهتر این پدیده که از جالب توجه‌ترین پدیده‌های ناشی از کوچک‌تر شدن مواد تا ابعاد نانومتری است، به مبحث زیر توجه کنید.


2- گسسته شدن ترازهای انرژی در مقیاس نانو

کوانتوم در لغت به معنی گسسته است. در فیزیک کمیت به دو دسته پیوسته و گسسته (کوانتومی) تقسیم می‌شوند. کمیات پیوسته هر مقدار عددی را می‌توانند داشته باشند، مانند قد و وزن افراد اما کمیت‌های گسسته تنها مقادیر خاصی می‌توانند داشته باشند، مانند تعداد افراد یک کلاس. از کمیت‌های فیزیکی پیوسته می‌توان به سرعت، نیرو، اصطکاک و ... و از کمیت‌های فیزیکی گسسته می‌توان به بار الکتریکی که مضرب صحیحی از بار الکتریکی یک الکترون است، اشاره کرد.


هر ماده‌ای که اطراف ما وجود دارد یک ساختار انرژی منحصر به فرد برای الکترون‌ها دارد و ساختار انرژی مواد مختلف با یکدیگر متفاوت است. از کتاب شیمی دبیرستان خود با ساختار اتم‌ها و کوانتیده شدن انرژی الکترون‌ها آشنا شده‌اید. در یک اتم، الکترون‌ها تنها می‌توانند اوربیتال‌های اتمی معینی را همراه با ترازهای انرژی گسسته اشغال کنند. اگر چندین اتم در کنار هم قرار گیرند تا یک مولکول تشکیل شود، به دلیل تاثیر هسته‌های هر اتم بر الکترون‌های تمامی اتم‌ها و اصل طرد پائولی، اوربیتال‌های اتمی شان شکافته می‌شود. هنگامی که تعداد بسیار زیادی از اتم‌ها جهت تشکیل بلور کنار هم قرار می‌گیرند، تعداد اوربیتال‌ها فوق‌العاده زیاد شده و در نتیجه ترازهای انرژی‌شان به همدیگر نزدیک می‌شود. به طوری که ترازهای انرژی به صورت پیوسته به نظر می‌رسد. در این حالت به جای تراز انرژی، باندها یا نوارهای انرژی الکترونی مجاز به وجود می‌آید. بین این باندها گاف‌های ممنوعه قرار داشته که الکترون‌های مشابه با ترازهای گسسته در اتم نمی‌توانند در این گاف قرار گیرد. در مواد ماکروسکوپی و معمولی متشکل از نوارهای انرژی است (شکل 2). در اتم‌های مختلف فاصله بین ترازها با یکدیگر متفاوت است و در موارد معمولی پهنای باندهای انرژی و پهنای منطقه ممنوعه (گاف انرژی) با یکدیگر متفاوت است.



 filereader.php?p1=main_480ddcae2e46248f5

شکل 2: ساختار انرژی اتم‌ها (سمت چپ) و مواد نیمه رسانا (سمت راست)


بسیاری از خواص مواد تابع ساختار انرژی آن است و با تغییر ساختار انرژی، خواص نیز تغییر می‌کند، برای مثال برای ساخت دیود ها معمولا در مواد نیمه رسانای معمولی، اتم‌های ناخالصی وارد می‌کنند. ورود اتم‌های ناخالصی به ساختار باعث تغییر ساختار انرژی و کم شدن گاف انرژی می‌شود که تغییرات خواص الکتریکی را به همراه دارد.


در فیزیکی که در ابعاد معمولی وجود دارد و به عنوان فیزیک کلاسیک معروف است، فرض بر این است که انرژی و اکثر کمیت‌ها، مقادیری پیوسته بوده و هر مقداری می‌توانند داشته باشند. برای مثال انرژی جنبشی یک انسان در حال حرکت می‌تواند 1، 1/5، 2/7 و یا هر مقدار دیگری بر حسب واحد انرژی باشد. حال فرض کنید می‌خواهیم یک ماده معمولی با ابعاد مشخص را ریز کرده و به ابعاد نانو برسانیم. هنگامی که یک ماده ریز می‌شود، در واقع اتم‌های آن کاهش می‌یابد. اتمی که از ماده جدا می‌شود، تراز انرژی مربوط به آن نیز از ساختار نواری جدا می‌گردد. زیر یک اندازه مشخص (که این مقدار خیلی کم‌تر از 100 نانومتر است) تعداد اتم‌ها و ترازهای انرژی به قدری کم می‌شود که دوباره نوارهای انرژی به تراز انرژی تبدیل می‌شوند، یعنی ترازها از یکدیگر جدا شده و نوارها حذف می‌شوند. پس با ریز شدن و رسیدن به ابعاد نانو علاوه بر افزایش بسیار زیاد سطح نسبت به حجم، نوارهای انرژی الکترونی نیز دچار گسستگی می‌شوند. حال دیگر کمیتی مانند انرژی یک الکترون هر مقداری نمی‌تواند داشته باشد و باید انرژی آن به اندازه ترازهای انرژی باشد. از این رو به فیزیکی که در این ابعاد (ابعاد نانو) و ابعاد زیر آن یعنی ابعاد مولکولی و اتمی صادق است، فیزیک کوانتوم یا فیزیک گسستگی می‌گویند. در شکل 3 نحوه تبدیل نوار به تراز نشان داده شده است. به دلیل گسسته بودن ترازهای انرژی نانوذرات و شباهت این ساختار آنها به اتم‌ها، به نانوذرات «اتم‌های مصنوعی» یا «ابر اتم» نیز گفته می‌شود.



 filereader.php?p1=main_55668fbb5711721cc

شکل 3: الف - ساختار انرژی یک ماده معمولی به شکل نواری شکل ، ب) ساختار انرژی نانوذرات بزرگ (شامل 100 اتم) ، ج) ساختار انرژی نانوذرات کوچک (شامل 3 اتم)


برخی از تغییر خواص در ابعاد نانو مانند افزایش جذب امواج الکترومغناطیس و یا تغییر رنگ مواد نیمه رسانا با گسسته شدن ترازهای انرژی توجیه می‌شود. در بخش‌های آینده و در مباحث تغییر خواص نوری نانوذرات و به خصوص فصل نانوالکترونیک بیشتر به این پدیده در مقیاس نانو می‌پردازیم.


به این مجموعه پدیده‌های فیزیکی در مواد نانومقیاس، اثرات کوانتومی می‌گویند که یکی از دلایل اصلی تغییر خواص مواد در این مقیاس است. در بخش‌های آینده با پدیده مهم دیگری آشنا می‌شوید که در کنار اثرات کوانتومی توجیه‌گر تغییرات رفتار مواد نانومتری هستند.


بیشتر بخوانید:
1- این مقاله شامل مباحثی از فصل هفتم کتاب علوم و فناوری نانو، جلد اول مباحث عمومی نوشته فرزاد حسینی نسب، محسن افسری ولایتی و معصومه قاسمی نژاد، انتشارات کوچک آموز است که برای مطالعه بیشتر می‌توانید به این کتاب مراجعه نمایید.
2- در کتاب مقدمه‌ای بر نانوساختارهای کوانتومی تالیف عباس زهدار، انتشارات دانش پرور، به گسستگی ترازهای انرژی در نانومواد و محدودیت‌های کوانتومی نیمه رساناها پرداخته شده است.
3- کتاب مقدمه‌ای بر نانوفناوری اثر چارلز پی. پول و فرانک جی. اونسز ترجمه نیما تقوی نیا از موسسه انتشارات دانشگاه شریف نیز منبع مناسبی برای انجام مطالعات تکمیلی و پیشرفته‌تر در مورد محدودیت‌های کوانتومی است.






filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منبع


  • کتاب علوم و فناوری نانو، جلد اول مباحث عمومی نوشته فرزاد حسینی نسب، محسن افسری ولایتی و معصومه قاسمی نژاد، انتشارات کوچک آموز