دانلود پروژه كاربرد نانوفناوری در صنایع الكترونیك — قسمت دوم

دانلود پایان نامه

-7   ذرّه در جعبه کوانتومی

افزایش گاف انرژی با کاهش اندازه نانوذرّات، به عنوان اثر اندازه کوانتومی ­شناخته می­شود. مطالعه خواص نوری نانوذرّات CdS، بروز اثر اندازه کوانتومی را در آنها را نشان داده است[38-37]. یکی از دلایل توجّه فراوان به نانوذرّات CdS به خاطر نمایش خوب اثر اندازه کوانتومی در زیر شعاع بوهر اکسیتون در آنها است. اثر اندازه کوانتومی برای نانوذرّات CdS وقتی که اندازه­شان به 5 نانومتر برسد ظهور می­کند[40-39].

نکته مهم : برای استفاده از متن کامل تحقیق یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه دانلود کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و تحقیق دانشگاهی در رشته های مختلف است که می توانید آن ها را به رایگان دانلود کنید

می­توان اثر اندازه کوانتومی را بوسیله در نظر گرفتن مسئلۀ ذرّه در جعبه، به طور کیفی توجیه نمود. برخی از محققین به این وسیله و با صرف نظر کردن از بر همکنش الکترون و حفره در نانوذرّات، درک اثر اندازه کوانتومی و تغییر وضعیت ترازهای انرژی در گذار از فاز حجیم به نانو را آسان کرده­اند. آنها با این ساده سازی که یک نانوذرّه به صورت یک چاه کوانتومی بینهایت یک بعدی به پهنای d است، حاملهای بار در آن را به صورت آزاد در نظر گرفته­اند[41].

هنگامی که الکترون و حفره در بلور حجیم به صورت آزاد در نظر گرفته شوند(تقریب جرم مؤثر) نمودار انرژی آنها به صورت سهموی است. با حبس شدن حاملها در یک جعبۀ کوانتومی، ترازهای پیوستۀ انرژی دچار گسستگی می­شوند. این وضعیت در شکل1-5 نشان داده شده­ است. از طرفی طیف جذب نوری یک نیم­رسانا(که از آن طول موج معادل گاف نواری به دست می­آید) با طیف ذرۀ منفرد متناظر نمی­باشد چرا که جذب نوری معادل تولید یک زوج الکترون- حفره در بلور و نه یک تک الکترون یا حفره منفرد است. از این رو، مسئله زمانی کامل است که معادله شرودینگر برای یک زوج الکترون- حفره حل شود. با انتخاب مبدأ مناسب و حل معادله شرودینگر، رابطۀ زیر برای انرژی گاف نواری نانوذرّات به دست می­آید:

این معادله بیان می­کند که اولاً گاف نواری نانوذرّات نسبت به حالت حجیم خود به سمت انرژیهای بالاتر جابجا می­شود و این جابجائی اگر اندازه ذرّات با L نشان داده شوند با متناسب است و ثانیاً طیف انرژی، به جای نوار از یك سری خطوط كه مربوط به گذارهای الكترون- حفره هستند، تشكیل شده است.

 

شکل1-5) در نانوذرّات که حاملهای بار در یک حجم کوچک حبس شده­اند(مشابه وضعیت حاملها در یک چاه کوانتومی بینهایت با پهنا d) ترازهای انرژی گسسته شده و گاف انرژی نسبت به حالت حجیم افزایش می­یابد[41].

با در نظر گرفتن اندركنش كولنی، مسأله دیگر تغییر می­كند و دیگر نمی­توان آن را به صورت تحلیلی حل نمود. در چنین حالتی روشهای عددی به كار برده می­شوند. نمونه­ای از حل معادله شرودینگر در حضور اندرکنش کولنی را می­توان در مرجع[42] مشاهده نمود.

نکته قابل توجّه اینکه، همزمان با کاهش اندازه جعبه(ذرّه)، گسستگی ترازها نیز افزایش می­یابد. این افزایش گسستگی، در طیف جذب نوری نانوذرّات، معادل تیز شدن قلّۀ جذب می­باشد. به این ترتیب با در نظر گرفتن ذرّه در جعبه کوانتومی، می­توان درک بسیاری از پدیده­ها را آسان نمود.

1-8   نسبت سطح به حجم در نانوذرّات

به جز حبس کوانتومی حاملهای بار، نسبت سطح به حجم بسیار زیاد، یکی دیگر از عوامل بروز خواص جالب توجّه و متفاوت از حالت حجیم در نانوذرّات است. برای درک بهتر، نسبت سطح به حجم ذرّات کروی و مکعبی در شکل1-6 محاسبه و نشان داده شده است.

 

 

با کوچک شدن ابعاد ذرّات(مرتبه) این نسبت به گونه­ای بزرگ می­شود که در برخی از گزارشها آمده است که یک گرم از پودر نانو ذرّات، 1200 متر مربع سطح را در خود می­گنجاند بنابراین برخلاف یک ماده حجیم، با کاهش اندازۀ مواد نمی­توان سهم اتمهای سطحی آنها را نادیده گرفت[43].

با کوچکتر شدن اندازۀ نانوذرّات، نسبت اتمهای حاضر در سطح به اتمهای موجود در حجم افزایش می­یابد که این حقیقت به افزایش انرژی آزاد سطح می­انجامد. به دلیل انرژی بالا و در نتیجه واکنش­پذیری زیاد اتمهای واقع در سطوح، احتمال ترکیب سطوح نانوذرّات با یکدیگر به میزان بسیار زیادی وجود دارد. وجود سطوح با واکنش پذیری بسیار زیاد، یک چالش مهم در تولید نانوذرّات به حساب می­آید و بنابراین باید به دنبال تکنیکهائی برای مهار آن بود تا بتوان نانوذرّات را تولید نمود.

1-9  چگالی حالتها در نانوذرّات

وضعیّت چگالی حالتها در نانوذرّات، از ویژگیهای جالب توجّه و منحصر به فرد آنها است. برخلاف مواد حجیم (که چگالی حالتهایشان با  متناسب است[32]) چگالی حالتهای نانوذرّات با توابع دلتا متناسب می­باشد. نانوذرّات فلزّی نیز وضعیت مشابه دارند. در شکل1-7 چگالی حالتهای نانوذرّات CdS در اندازه­های 7.6 و 4.6 نانومتری و نانوذرّات مس در خوشه­های 8 و 20 اتمی نشان داده شده است. در فصل آینده مقایسۀ میان چگالی حالتهای مواد توده­ای، لایه­های نازک، سیمهای کوانتومی و نانوذرّات به صورت نظری ارائه خواهد شد.

1-10   دسته بندی نانوذرّات

به این دلیل که شعاع بوهر اکسیتون در مواد مختلف با یکدیگر برابر نیست و از طرفی اندازه نانوذرّات با این شعاع تعیین می­شود، نانوذرّات طیف وسیعی از اندازه­ها را در بر می­گیرند. بر این اساس می­توان آنها را به سه دسته تقسیم کرد[17].

دسته اوّل نانو ذرّات با شعاع 1 تا 2 نانومترکه تعداد اتمهای کمتر از 50 دارند. این دسته به نوع مولکولی تمایل دارد و چون تعداد ذرّات کم است کار تئوری درباره آنها نسبتاً آسان می­باشد. اینگونه خوشه­ها با استفاده از لیزر ساخته می­شوند.

دسته دوّم نانو ذرّات 2 تا 20 نانومتر که تعداد اتمهای کمتر از دارند را شامل می­شود. در این دسته که دستۀ مورد علاقه ما است، ذرّات باردار در حبس کوانتومی هستند و حوزه­ای برای مواد نیم­رسانا به حساب می­آید. نسبت سطح به حجم زیاد و خواص تابع اندازه برای این دسته بسیار مهم است. روشهای زیادی برای تولید نانو ذرّات این دسته وجود دارد.

 دسته سوّم نانو ذرّات با شعاع بزرگتر از 20 نانومتر که تعداد اتمهای بیشتر از را دارند شامل می­شود. در این دسته به دلیل اینکه هنوز نسبت سطح به حجم مقدار بزرگی است، خواص مواد به اتمهای سطحی وابسته­اند. این دسته برای کاتالیستها مفید می­باشند.

تولید نانوذرّات

1-11   تاریخچه تولید نانوذرّات نیم­رسانا 

آغازگر علم نانو را می­توان ریچارد فاینمن[1] نامیدکه درسال 1959 مطالبی را در ارتباط با نانوفنّاوری و خصوصیات جدید مواد در مقیاس نانو مطرح نمود. اندکی بعد، ایساکی[2] و همکارانش با ساخت نخستین چاه کوانتومی با بهره­گیری از روش لایه نشانی پرتو مولکولی، اندیشه­های فاینمن را به سمت واقعیت پیش بردند[46]. اگر چه بعد از فاینمن، فیزیکدانان به فکر کار با مواد در ابعاد کاهش یافته افتادند امّا شیمیدانها از مدتها قبل با کلوئیدها سر وکار داشته­اند. شیمیدان معروف، استوالد[3] کتابی را با نام “دنیای ابعادکاهش یافته[4] ”  نوشته است[47].

در سال 1980 اکیمو[5] در مؤسسه فیزیک پترزبورگ طیف های جالبی از CdS و CdSe را مشاهده کرد که این طیفها تنها با فرض اینکه ذرّات CdS و CdSe با ابعاد نانو، درون شیشه شکل گرفته­اند قابل توجیه بود[48].

مباحث نظری نانوذرّات ابتدا توسط ایفور[6] در سال1982 مطرح گردید[49] و پس از آن لوئیز براس[7] در سال1984 با بهره­گیری از تقریب جرم مؤثر مجموعه مقالاتی را در باب تئوری نیم­رساناها منتشر نمود[50]. به دلیل ضعفهایی که این مدل، بخصوص در توجیه ذرّات با اندازه­های بسیار کوچک داشت، لیپنز[8] در سال 1989 تقریب تنگ بست را برای توجیه خواص غیرعادی نانوذرّات به کار گرفت که موفقیت بیشتری داشت[52-51].

تلاشهای زیاد برای تولید نانوذرّات در توزیع اندازه باریک در چند مورد موّفق بوده است[55-53]. آغاز بکارگیری روش مهار کردن برای تولید نانوذرّات را می­توان سال 1985 نامید که در آن زمان “دنس” و همکارانش با استفاده از یک حلال غیر آبی به تولید نانوذرّات سولفید روی پرداختند[56].

اولین آلایش در نانوذرّات به طور اتفاقی در سال 1983 میلادی انجام شده است[57]. وانگ[9] و همکارانش در سال 1991 میلادی در مورد  مطالعاتی انجام دادند[58] و در سال 1994 باهارگاوا[10] اوّلین بار، افزایش بهره نورتابی نانو بلورهایZnS  در اثر آلایش با Mn را گزارش کرد[59]. البته خسروی[11] نیز همزمان بعنوان کار پایان­نامه دکتری، تحت نظر کولکارنی[12]، بدون اطلاع از کار باهارگاوا، توانست Mn را با ZnS بیالاید که حاصل کار این دو محقق با یکماه تفاوت در مجلۀ APL چاپ شد[60]. بررسی خواص نوری نانو ذرّات آلائیده با فلزّات واسطه ونادر خاکی از سال 1994 به بعد به شدّت دنبال شد. در همین سال خسروی برای اولین بار از آلایشZnS  باCu  گزارش داد[61] اگر چه سان[13] و همکارانش در سال 1999 میلادی مطالعات بیشتری در مورد   انجام داد­ند[62].ZnS   نانوساختار را بورسه[14] و همکارانش با آهن(Fe) و نیکل(Ni) آلایش نموده و نانوساختاری در ابعاد nm2 را تولید کردند[17و 31].

آلائیدنZnS  با سرب(Pb ) توسط بول[15] و میجرینک[16] و بورسه در سال 2001 میلادی انجام گرفت[63] و آلائیدن ZnS  با یونهای کمیاب و نادر خاکی مانند را باهاراگاوا در سال 1996 میلادی گزارش داد[64]، آلائیدن  ZnS  با  توسط چن[17] وهمکارانش در ابعاد nm 3 در سال 2000 میلادی گزارش داده شده است[65]. آلایش ZnS با Er توسط خانم مهشید احمدی در دانشگاه شیراز زیر نظر خسروی، جواد پور و غروی برای اوّلین بار انجام شده است.

برای دیدن قسمت های دیگر این تحقیق لطفا” از منوی جستجوی سایت که در قسمت بالا قرار دارد استفاده کنید. یا از منوی سایت، فایل های دسته بندی رشته مورد نظر خود را ببینید.

با فرمت ورد

Leave a comment