روشهاي ساخت، خواص انتقالي نانوسيم ها(2)

الف) سنتز به کمک قالب

سنتز نانوسيمها به کمک قالب يک روش مناسب جهت ساخت نانوساختارها به صورت آرايه هاي منظم و ساماندهي شده مي باشد. قالب، نوعاً يک رساناي نانويي شامل خلل و فرج باريک و کشيده نانوتري مي باشد که به وسيله مواد خاصي که متناسب با مورفولوژي حفرات باشد، پر مي گردند. اگر قطر حفره ها به اندازه کافي کوچک باشد، نانوسيم هاي با حفرات پر شده از خود اثرات کوانتومي به نمايش مي گذارند. در اين روش مشخصات قالب همچون پايداري شيميايي، خواص مکانيکي، قطر و دانسيته حفره ها به عنوان فاکتورهايي مهم مورد توجه قرار مي گيرد. قالبهاي مورد استفاده در سنتز نانوسيم شامل آلوميناي آندي، نانوکانالهاي شيشه اي، پليمرهايي که شکافشان به وسيله يونها پر مي شود و فيلم هاي ميکا مي باشد.

قالبهاي آلوميناي آندي به وسيله اکسيداسيون آندي فيلم هاي آلومينيوم در محلولهاي الکتروليتي اسيدي توليد مي شوند. اکسيد فيلم آلومينيوم منجر به تشکيل آرايه هاي منظم هگزاگونال از کانالهاي موازي و تقريباً استوانه اي شکل مي گردد. همانطور که در شکل (1) نمايش داده شده است. بسته به شرايط آندي کردن از قبيل ولتاژ مورد استفاده و نوع و غلظت الکتروليت به کار گرفته شده، قطر حفره هاي آلوميناي آندي قابليت تغيير  nm 10 تا nm 20به وسيله پر کننده هايي با دانسيته اي از مرتبه 2- cm 9 10 تا2- cm 11 10 را دارا مي باشند. ضخامت فيلم (يا همان طول حفره)، در طي فرايند آندي کردن قابل کنترل است. به دليل قابليت انعطاف سينتيکي، ساختار منظم حفره، دانسيته بالاي حفره و مقاومت مکانيکي زياد در سيستم هاي آلوميناي آندي اين مواد در ميان ديگر مواد مورد استفاده براي ساخت قالبها در توليد نانوسيم ها، از شهرت خاصي برخوردارند.

به علاوه با اصلاحاتي که هم اکنون بر روي درجه مرتب سازي حفره ها صورت پذيرفته  آلوميناي آندي در زمينه هاي کاربردي، توجه بيشتري را به خود معطوف داشته است. به علت نظم و ترتيب بالاي الگوهاي نانويي دو بعدي، اينها به آساني با روشهاي ليتوگرافي جابجايي در اندازه هاي بزرگ قابل مقايسه مي باشند. در فرآيند توليد فيلمهاي آلوميناي آندي ابتدا يک لايه نازک آلومينيوم به صورت مکانيکي و الکتروشيميايي جهت ايجاد يک سطح صاف صيقل داده مي شود. سپس اين صفحه به وسيله يک محلول اسيدي در يک ولتاژ و دماي ثابت به صورت آندي درمي آيد. ولتاژ بکار رفته در فرآيند آندي کردن، V، فاصله درون حفره اي،D، را از طريق رابطه تجربي(Volts)  V 18/2 + 71/1- = D(nm) مشخص مي کند.

معمولاً الکتروليتهاي مختلفي براي گستره¬هاي متفاوت ولتاژ آندي کردن بکار مي رود. مثلاً اسيد سولفوريک 20% وزني براي کمتر از 20V ، اسيد اکساليک 4% وزني براي  V 65 – 30  و اسيد فسفريک  5/3 % وزني براي V 70 يا بيشتر بکار گرفته مي شوند.  فيلم آلوميناي آندي آماده شده، حفره هاي روي سطح را باز کرده و در ديگر جهات به شکل لايه اي بازدارنده آن را مي پوشاند، بنابراين جهت حذف لايه هاي بازدارنده در نمونه به منظور کاربردهاي مناسبتر، بايد از يک محلول اسيدي استفاده شود. اشکالa)2 )وb) 2)به ترتيب تصاوير SEM (ميکروسکوپ پيمايشي الکتروني) از سطوح بالاي حفرات قالبهاي آلوميناي آندي در اسيد اکساليک 4% وزني و اسيد سولفوريک 20% وزني را نشان مي دهند. ترتيب حفرات و يکساني اين مواد با استفاده از يک تکنيک آندي کردن دو مرحله اي بهينه مي شود.

ساختار حفره هاي خود تنظيم، در آلوميناي آندي از طريق دو فرآيند مرتبط، ايجاد مي شوند يکي شکل گيري حفره و ديگري مرتب سازي حفره. شکل گيري حفره عموماً نتيجه چندين مکانيسم شامل شکل گيري اکسيد و فرآيند حلاليت است. در طي فرآيند آندي کردن، آنيونه(ا 2-O يا – OH) از ميان لايه اکسيدي و از AL2 O3 در سطح مشترک اکسيد – فلز، مهاجرت مي نمايند و برخي از يونهاي AL3+ ايجاد شده در سطح مشترک اکسيد – فلز در طول لايه اکسيدي حرکت کرده و در الکتروليت تزريق مي شوند. ميدان الکتريکي غير يکسان و دانسيته جريان موجود در نمونه ناشي از تغييرات سطح از عوامل اساسي ايجاد مکانيسم رشد حفره مي باشند. تغييرات سطح ممکن است از صيقل دادن اوليه نمونه يا تغييرات خودالقايي در طي رشد پايدار حفره ناشي شود. افزايش انحلال يا افزايش درجه حرارت محلي موجب افزايش نرخ انحلال در برخي مناطق سطح مشترک اکسيد – الکتروليت مي گردد. ترتيب خود به خودي حفره ها ممکن است به انبساط حجمي به هنگام شکل گيري اکسيد نسبت داده شود که به وسيله نيروي دافعه ميان حفره ها ايجاد مي گردد. آرايش خود به خودي حفرات استوانه اي به دليل وجود نيروهاي دافعه متقابل بين حفره هاي جانبي و در جهت ايجاد پرکننده هاي آنها با حداکثر دانسيته در ساختار هگزاگونال منظم در شرايط پايدار، اتفاق مي افتد.

ادامه دارد...

نويسنده: حامد اميني