در این پایان نامه ابتدا توضیحاتی پیرامون نانوفناوری و بررسی نظری و تولید نانوسیم­ها ارائه شده و سپس­ به بررسی نظری و تجربی مقاومت الکتریکی سیم­های ریز با اندازه­ های زیر میکرومتر پرداخته­ایم. در ادامه چندین روش تولید نانوساختارها را مرور کرده و بطور خاص به بررسی ساختار و نحوه­ 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 بهره گرفتن 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 تهیه­ 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 پایان نامه …………………………………………………………………………………………………….. 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- آماده ­سازی نمونه………………………………………………………………………………………. 12

2-3-3- میكروسكوپ روبشی تونل زنی(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 شبکه­ های بلوری…………………………………………………………………. 22

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

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

3-4- برخی از خواص و تعاریف در حوزه­ 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 حوزه­ 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- اندازه ­گیری 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- تهیه­ نمونه­ها بعنوان قالب ………………………………………………………………………………………… 88

6-1-1- مراحل پیش آندایز……………………………………………………………………………………………… 88

6-1-1-1- انتخاب نمونه­ 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- آماده ­سازی نمونه جهت انباشت مستقیم……………………………………………….. 100

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

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

6-2-2-1- آماده ­سازی 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- آماده ­سازی نمونه جهت انباشت پالسی…………………………………………………… 113

6-2-3-2- روش کار…………………………………………………………………………………………………… 113

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

6-3- آماده ­سازی نمونه­ها جهت تهیه­ تصویر SEM ……………………………………………………. 116

6-4- آماده ­سازی نمونه­ها جهت تهیه­ 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 میكروسكوپ 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 اندازه ­گیری 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 پایه­

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) نمونه­ اولیه­ی AL قبل از الکترپالیش ……………………………………………………… 63

شکل (4-8)  نمایشی از الگودهی سطح آلومینیوم با بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از آلومینای

آندیک متخلخل ……………………………………………………………………………………………………………………………… 71

شکل (5-1)  منحنی جریان لحظه­ای فرایند الکتروانباشت و مراحل مکانیسم رشد

نانوسیم­ها. ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 81

شکل (5-2)  مراحل تهیه­ آرایه­ای از نانوسیم­ها از طریق الکتروانباشت مستقیم…………………. 82

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

شکل (5-4)  نمایی از مراحل تهیه­ 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 برنامه ­ریزی ولتاژ و فرکانس ac/dc مدل EC1000S

موجود در آزمایشگاه لایه­نشانی……………………………………………………………………………………………………… 98

شکل (6-10)  الف) نمونه­ آندایز شده که بر واشر چسبیده شده

(از طرف سطح آندایزی) و واشر نیز به شیشه چسبیده است. ………………………………………………….. 101