نانوساختارهای اکسید روی(1)

اکسید روی ماده ای سفید رنگ است و یكی از غنی‌ترین نانوساختارها می‌باشد. نانوساختارهای Zno درطول سال های اخیر به خاطر خصوصیات قابل توجه آن ها برای کاربردهای الکتریکی و فتوالکتریکی توجه خیلی زیادی را به خود جلب کرده است.

مصارف زیاد اکسید روی مربوط به عایق بودن آن درمقابل جریان الکتریسیته وهدایت ظرفیت حرارتی زیاد، خاصیت چسبندگی خوب، قدرت پوشش عالی، مقاومت کافی در مقابل پرتوهای ماورای بنفش، داشتن ثابت دی الکتریک متوسط و ضریب شکست بالای آن است. به عنوان نمونه کاربردهای فراوانی در ساخت قطعاتی مانند گسیلنده های نوری فرابنفش، مبدل های پیزوالکتریک، حسگرهای گازی، پنجره های هوشمند، سلول های خورشیدی، استفاده در صنعت چاپ وصنایع رنگرزی دارد. افزودن آلاینده های مناسب می تواند سبب تغییر اندازه گاف انرژی وویژگی های فیزیکی آن شود.

اكسیدروی سه مزیت عمده دارد:

 اول اینكه نیمه رسانایی با شكاف باند 3.37ev و میزان انرژی برانگیختگی 0.6میلی الکترون ولت می‌باشد و همچنین نشر نزدیك به ماوراء بنفش دارد. دوم پیزوالكتریك است كه در حسگرها و كاهنده‌ها بسیار كاربرد دارد. و در نهایت اكسید روی زیست‌سازگار و ایمن می‌باشد و می‌تواند در كاربردهای پزشكی به‌راحتی و بدون روكش به كار رود. با این خصوصیات ویژه اكسید روی می‌تواند زمینه‌های تحقیقاتی گوناگونی را در آینده ایجاد كند.

ذرات اكسید روی خواصی مانند نیمه رسانایی، پیزوالكتریك و پیروالكتریك از خود نشان می‌دهند. این خواص بی‌نظیر باعث می‌شود كه ذرات اكسید روی یكی از غنی‌ترین مواد نانوساختاری باشند. با استفاده از روش تصعید حرارتی فاز جامد- بخار، تحت شرایط ویژه،‌ می‌توان نانوشانه‌ها، نانوحلقه‌ها، نانوفنرها،‌ نانوتسمه‌ها، نانوسیم‌ها و نانوقفسه‌هایی از اكسید روی ایجاد كرد. این نانوساختارها به دلیل داشتن خاصیت زیست سازگاری می‌توانند كاربردهای جدیدی در الكترونیك‌نوری، حسگرها،‌ ترانسفورماتورها و پزشكی داشته باشند.

نانو تسمه ها

هنگامی كه در سال 2001 نانوتسمه‌های نیمه‌رسانا كشف شدند‌ تحقیقات بر روی نانوساختارهایی كه حداقل دارای یك بعد نانومتری می‌باشند به سرعت توسعه پیدا كرد، زیرا این مواد كاربردهای وسیع و جدیدی در اپتیك، الكترونیك نوری،‌ كاتالیزورها و پیزوالكترویك دارند. نانوتسمه‌های اكسیدی نیمه‌رسانا گروه بی‌نظیری از مواد با تركیب شیمیایی و ساختارهای بلوری جالب می‌باشند.

استفاده از پودراکسیدروی به عنوان منبع اولیه بدون حضورکاتالیست، نانوتسمه هایی با طول ده ها تا صدها میکرومتر به دست خواهدداد. در مورد تهیه نانوساختارهایی با ضخامتی کمتر مثلا ده نانومتر طبق آنچه که در نانو تسمه ها داریم می توان به کمک پلاریزاسیون به نانو حلقه، نانومارپیچ و... که ناشی از کاهش انرژی حاصل از بارهای قطبی، سطح مخصوص و دفرمه شدن الاستیک است، دست یافت.

نانوتسمه‌ها از اكسیدهای نیمه‌رسانای روی، قلع، كادمیم و گالیم و با استفاده از تبخیر پودرهای تجاری اكسید این فلزات در دمای بالا حاصل می‌شوند. این نانوتسمه‌ها خالص، یك شكل و دارای بلورهای منفرد می‌باشند. ساختار هندسی ویژه این شبه‌تسمه‌ها باعث ایجاد بلورهای اكسیدی نیمه‌رسانا با كاتیون‌هایی با ظرفیت متفاوت و خواص جالب درآنها می‌شود.

ترانزیستورهای اثر میدانی، حسگرهای نانومقیاس بسیار حساس گازها و نانوحامل‌های ساخته شده از نانوتسمه‌های منفرد، نمونه‌ای از آنها می‌باشند. انتقال حرارتی نیز در طول نانوتسمه‌ها اندازه‌گیری شده است. به علت خاصیت پیزوالكتریكی نانوحلقه‌ها، نانوتسمه‌ها و نانوفنرهای سنتزی اخیر می‌توان از آنها در كاهنده‌ها، افزاینده‌ها و حسگرهای نانومقیاس استفاده كرد.

در بین اكسیدهای كاركردی (Functional)اكسید روی تنها ماده‌ای است كه هر دو ویژگی پیزوالكتریكی و نیمه‌رسانایی را از خود نشان می‌دهد. این ماده ساختارهای گوناگونی دارد كه بسیار غنی‌تر از انواع نانومواد شناخته شده مانند نانولوله‌های كربنی می‌باشند. با استفاده از روش تصعید حرارتی حالت جامد و با كنترل سرعت رشد، دمای رشد موضعی و تركیب شیمیایی مواد می‌توان دسته وسیعی از نانوساختارهای اکسیدروی را سنتز كرد.

نانوحلزون‌ها، نانوفنرها و نانوحلقه‌های یكپارچه و بدون درز

با كنار هم قرار دادن مواد اولیه و با در نظر گرفتن بعضی ناخالصی‌ها مانند ایندیم می‌توان نانوحلقه‌های اكسید روی را سنتز كرد. تصاویر میكروسكوپ الكترونی روبشی (SEM) به طور كاملاً واضح شكل حلقه‌ها را با سطوح یكسان نشان می‌دهد. تصاویر میكروسكوپ الكترونی‌ تونل‌زنی(TEM) نیز نشان می‌دهد كه نانوحلقه‌ها به صورت تك‌بلوری و دایره‌ای هستند. این ساختارهای تك‌بلوری به معنی تشکیل نانوحلقه‌های کامل از روبان تك‌بلوری می‌باشد. نانوحلقه نتیجه حلقه‌ای‌شدن هم‌بافت و هم‌محور نانوتسمه‌ها می‌باشد.

نانوتسمه در طول رشد می‌تواند به خاطر برهم‌كنش‌های الكترواستاتیك به صورت یك نوار برروی یك نانوحلقه كشیده شود، تا بارهای قطبی موضعی را خنثی كرده، ناحیه سطحی را كاهش دهد. در نتیجه ساختارهای نانوحلقه‌ای هم‌محور، چنددایره‌ای و هم‌مركز تشكیل‌می‌شود. خودآرایی فرآیندی خود به خودی است كه یك نوار به دور خود می‌پیچد و یك نانوتسمه رشد می‌كند. كاهش ناحیه سطحی و تشكیل پیوندهای شیمیایی (نیروهای نزدیك) بین دایره‌ها،‌ ساختارهای دوار پایدار را ایجاد می‌كند. پهنای نانوحلقه، با حلقه‌ شدن بیشتر دایره‌ها حول محور نانوحلقه و قرار گرفتن هم جهت آنها در جهت محور نانوحلقه افزایش می‌یابد.

 ::مدل رشد متناسب نانوحلقه::

زمانی كه رشد در محدوده دمایی ثڑC 400-200 انجام شود، با اتصال دایره‌هایی از نانوتسمه به وسیله پیوندهای شیمیایی به همدیگر ساختارهای نانوحلقه‌ای استوانه‌ای تك‌بلوری تشكیل می‌شود. قرارگرفتن حلقه‌ها كنار همدیگر از نظر انرژی كاملاً مساعد است زیرا بارهای قطبی درون حلقه‌ها كاملاً خنثی می‌شوند. این مدل رشد در شکل بالا نشان داده شده است.

نانوتسمه‌های دارای بار سطحی (شکل پایین) می‌توانند به صورت دو صفحه موازی به عنوان خازن به كار روند.

::مدل نانوتسمه قطبی::

یك نانوتسمه قطبی تمایل دارد جهت كاهش انرژی الكترواستاتیك به صورت رول درآید. شكل حلزونی یا مارپیچ نیز می‌تواند انرژی الكترواستاتیك را كاهش دهد. (شکل پایین)

اگر بار سطحی در طول رشد خنثی نشود، قطبش خود به خودی، كه نتیجه ممان دوقطبی است، انرژی الكترواستاتیك را كاهش می‌دهد، اما تشكیل رول یا حلقه بسته می‌تواند ممان دو قطبی را كاهش دهد یا‌ آن ‌را كاملاً خنثی كند، در نتیجه انرژی الكترواستاتیك كاهش می‌یابد.

از طرف دیگر خم‌كردن نانوتسمه انرژی الاستیك ایجاد می‌كند. اگر نانوتسمه‌ها به صورت دایره به دایره رول شوند، نیروی دافعه بین سطوح قطبی در تمام طول نانوفنر ادامه دارد،‌ در حالی‌كه نیروی تغییر شكل الاستیك، دایره‌ها را به سمت همدیگر می‌كشد. نانوحلزون‌ها متحدالشكل و با شعاع 500 تا 800 نانومتر هستند و از نانوتسمه تك‌بلوری اکسید روی ساخته شده‌اند.

نانوفنرها و نانوحلقه‌های تك‌بلوری ساخته شده از نانوتسمه‌ای ‌اکسیدروی، ساختارهای القایی خود به خودی قطبی دارند، كه نتیجه چرخش 90 درجه در قطبیت می‌باشد. این گونه ساختارها ایده‌آل‌ترین حالت برای درك پیزوالكتریکی و پدیدة القای قطبیت در مقیاس نانو می‌باشند. ساختارهای نانوتسمه‌ای پیزوالكترویك می‌توانند در حسگرها، ترانسفورماتورها و تشدیدكننده‌های دارای نانومقیاس به‌كار روند.

    ادامه دارد...