نانو ساختارهاNano structures

تهیه و تنظیم :فرزاد حسینی نسب

fhn64@yahoo.com

: از نانوفناوری استفاده و س2اخت طراح2ی، عل2م مواد نانوساختار است.

مواد نانوس2اختار ب2ه دلی2ل خواص فیزیک2ی و شیمیایی متفاوت و بهبود یافته م2ورد توجه قرار گرفته اند.

: )حداقل یکی از ابعاد آنها نانوساختارها )نانو مواد نانومتر( است. 100 تا 1در محدوده نانومتر )انواع نانوساختارها :

صفر بعدی : نانوذرات یک بعدی : نانوسیم ها دو بعدی : الیه های نازک سه2 بعدی : مواد بالک نانوساختار

Nano particles Nano wires

Carbon nano tubesThin films

چگالی حاالت

Fabrication methods

Bottom-UpTop-Down

روش های تولید

Top-Down process

Milling

Lithographic processes

Severe plastic deformation

Machining

Bottom-Up Process

Vapour phase decomposition

Plasma-assisted deposition

Molecular beam epitaxy

Electrodeposition

Sol-gel methodsRapid solidification/crystallization

مواد بالک نانوساختار (Bulk nanostructured materials)

نانوکامپوزیت(Nanocomposite ):

کلم2ه از کامپوزی2ت، to compose و کردن ترکیب معن2ی ب2ه مخلوط کردن مشتق شده است.

مهمترین ویژگی کامپوزیت ها دارای خواص و ویژگ2ی های2ی هس2تند ک2ه هی2چ ی2ک از فازهای تشکیل

دهنده به تنهایی نمی توانند آنها را داشته باشند .

زمینه(Matrix)

تقویت کننده(Reinforcement

)کامپوزی

ت

چند نمونه از کامپوزیت ها با ترکیب کاه و گل ترکیبی حاصل می شود که هم از کاه و هم

اس222222222ت. ت222222222ر قوی گ222222222ل از

كه اس2ت ط2بيعي كامپوزي2ت ي2ك از خوب2ي مثال چوب تركيبي از الياف و چسب مي باشد .

.بتن و فوالد تركيب مي شوند تا بتن مسلح را ايجاد كنند

اي كننده تقويت و الس2تيك مخلوط از تركي2بي الس2تيكي تاي2ر نظير فوالد ، آراميد يا نايلون می باشد.

خواص نانوکامپوزیت ها:

استحکام باالوزن کم قابلیت طراحی

بهترعمر زیاد انعطاف پذیری

باالترخوردگی کم

نان2و ساختار )نانوذرات، در ص2ورتی ک2ه تقوی2ت کننده ج2ز مواد تشکیل نان2و کامپوزی2ت ه2ا نان2و س2یم ه2ا، نانولول2ه ه2ا و ...( باش2د،

می شوند.

کاربردهای نانوکامپوزیت2 ها:

2رسانایی خاص2یت ایجاد در پلیمرها

نگه های پالس2تیک تهی2ه دارنده2 مواد غذ2ایی2

و ها ژ2ل در اس2تفاده2 کرم های ضد آفتاب2

های بدنه در اس2تفاده اتومبیل و هواپیما

سنسورسوخت2 جامد راکت

و میزان خواص اندازه در کننده تقویت جزء نانوکامپوزیت ها موثر است.

مواد نانوساختار حاصل از روش های تغییرشکلشدید پالستیک:

)a( High Pressure Torsion straining )HPT()b( Equal-channel Angular Pressing )ECAP()c( Accumulative Roll Bonding )ARB(

)a( )b(

)c(

تقسیم دانه ها هنگام تغ2ییر شکل

ک2ارسرد شده50باندهای برشی آلیاژ برنج % مراحل مختلف بازیابی و تشکیل

مرزهای فرعی

آنیل فرآین2د مرحل2ه س2ه انجام ب2ا رشد و مجدد زن2ی جوان2ه )بازیاب2ی،

دانه(، ریزدانگی اتفاق می افتد.

شکلی از مراحل مختلف فرآیند آنیل

میزان کرن2ش اعمالی در آنیل، شرای22ط و نهایی های دان2ه اندازه

موثر است.

مواد نوع این خواص نانوساختار:

استحکام بیشتر انعطاف پذیری مناسب مقاومت به خستگی باالتر

الیه های نازکThin films

الی2ه نازك ب2ه ماده یا موادي گفت2ه م2ی ش2ود ک2ه ب2ه صورت پوش2ش2 بر ی2ک س2طح یا ماده خواص ایجاد س2بب دیگ22ر، و فیزیکی الکترونیک222ی،

مکانیکی جدیدي ش2ود.

تکنولوژی ساختمختلف تهيه و ساخت اليه و روش های مراحل -1

هاي نازكتعيين خواص كيفي و كمي اليه هاي ساخته2 شده -2

كاربردهاي عملي اليه هاي نازك -3

انواع الیه های نازک نانومتر5الیه های بسیار نازک با ضخامت کمتر از نانومتر500 تا 5الیه های نازک با ضخامت بین نانومتر500الیه های ضخیمتر با ضخامت بیش از

ب2ه الي2ه از دیدگاه2ی دیگ2ر الي2ه ه2ا را م2ي توان همچنی2ن الی2ه های ساخته شده عاي2ق و، نيم2ه رس2انا هاي فلزي،

آلي تقسيم كرد.از مواد

روش ساختمی نازك الی2ه س2اخت منظور ب2ه یا و ه2ا ات2م اي گون2ه ب2ه بایس2ت مولکول هاي ماده مورد نظر را از که دیگري جس2م روي بر چشم2ه ی2ا بس2تر نامیده می شود، زی2ر الی2ه

فرستاد. )()1( vaclaylaysurvacsur gggg

انواع روش ها :1 -CVD 2 -PVD3 -MBE

کاربردهای الیه های نازک ،حفاظ2ت در برابر پديده هاي س2طحي چون س2ايش

خوردگي و خستگيساخت سلول های خورشیدی

تغییر خواص الکتریکی و مغناطیسی تغییر خواص اپتیکی

نانو سیم هاNano wires

نانوس2یم ها و نانوالیاف، بعدی تح2ت عناوی2ن ویس2کرزها، نان2و س2اختارهای ت2ک نانومیله ها شناخته می شوند.

یک2ی از خص2وصیات بارز نانوس2یم ه2ا، انتقال جریان الکتریک2ی موازی با محور سیم است.

ب2ه دلی2ل س2طح مقط2ع بس2یار کوچ2ک، کمتری2ن مان2ع در مس2یر حرک2ت الکترون ها وجود دارد.

انواع نانوسیم ها : فلزی های مانند نانوس2یم الکتریک2ی قطعات در زیاد کارای2ی

نانوسیم نقره2. : ویژگ2ی ای2ن س2یم ه2ا ) نظی2ر رس2انایی و هدایت نانوس2یم های آل2ی

گرمایی( به ساختار مونومر و طرز آرایش آن بستگی دارد. : این نانوس2یم های نیم2ه هادی نانوس2یم های س2یلیکونی، مانن2د

تشخیص مانن2د پزشک2ی در عرص2ه را کاربرد بیشتری2ن ه2ا نانوس2یم نشانه های سرطان، رشد سلول های بنیادی و ... نشان داده است.

شکل های نانوسیم نانوس2یم ه2ا ممک2ن اس2ت کریس2تالی، غی2ر کریستالی

و یا در بعضی حالت شکل مارپیچی به خود بگیرند. بودنشان بعدی یک دلی2ل ب2ه آنه2ا نبودن کریس2تالی

است.

روش هاي عمده براي ساخت نانوسيم ها

ليتوگرافي يا چاپ روي يک سطح

:فرآيند رشد شيميايي در يک محيط گازي يا مايع استفاده از نانوذرات کاتاليست براي رشد نانوسيم ها

روي يک خودآرايي براي رشد مستقيم يک نانوسيم سطح )موازي با سطح(:

نانوسيم های با قطر چند نانومتر و فاصله ده نانومتر يا کمتر از یکدیگر

.اتم ها و مولکول ها به طور خود به خود مرتب می شوند

مولکول ها به طور طبیعی بر اساس نیروهایی که ساختار مادهبه آن ها تحمیل می کند، در مکان هایی قرار می گیرند که

کمترین انرژی را داشته باشند.

.مشکل این روش عدم تسلط بر آرایش است

حكاكي شيميايي سيم هاي بزرگتر و يا با بمباران يكسيم بزرگتر توسط ذرات پرانرژي ديگر )اتم يا

مولكول(

برجسته كردن سطح يك فلز نزديك به نقطه ذوب با و منقبض كردن آنها STMاستفاده از نوك پروب

( روش سنتز بخار-مايع-جامدVLS ) در اين روش از ذرات تجزيه شده توسط ليزر و يا از محصوالت

گازي استفاده مي كنيم.

کاربرد نانو2سیم ها : نانو الکترونیکدر رایانه ها و سایر دستگاه های محاسبه گر

: پزشکی در تشخیص بیماری ها(Si, GaN) استفاده در رگهای خونی برای تحریک اعصاب(Pt )برای هدفمند ساختن رشد سلول های بنیادین (Si)

: اپتیک ساخت دیودهای نور افشان(LED )از تقاطع دو نانو سیم ساخت لیزر(ZnO)

: زیستیمولکول DNA

: نانو سیم های مغناطیسی برای ذخیره اطالعات (Co, Co-Cu, Ni, Fe) نانو سیم ها را نمی ،

توان از یک حدی به یکدیگر نزدیکتر کرد و محدودیت در ذخیره اطالعات وجود دارد.

،هر چه چیدمان نانو سیم ها منظم تر باشد ذخیره سازی اطالعات بهتر صورت می گیرد.

: سنسورمزاياي سنسورهاي نانوسيم

کوچکتر حساس تر نياز کمتر به انرژي واکنش سریعتر

در محيط هوا، مولکول هاي اکسيژن به به ZnOطور عمومي روي سطح

O2عنوان -, O-, O2- .جذب مي شوند

نانولوله های کربنی

ساختارهای مختلف اتم های کربن

شكل گيري نانولوله ها از صفحات گرافين

ساختار نانولوله هاي كربني بر کربنی های نانولول22ه

پیچیده شدن اساس ی نحوه می تقس2یم دس2ته س2ه ب2ه

شوند. نانولول2ه ه2ا در دس2ته نانوسیم

قرار نیم2ه رسانا و فلزیهای می گیرند.

های نانولوله Armchair فلزی هستند.

دو س2وم نانولول2ه های تولید ی2ک سوم و نیم2ه رس2انا شده

فلزی هستند.

45

2/122 )( nmnmad

)2

3arctan(nmn

تعیین نوع نانولوله ها21 namaCh

metalegernmif int

32

armchairpporppnm

zigzagegerppnm

),(),2(),(,30

int),0,(),(,0

تعیین نوع نانولوله ها با استفاده از STM

فلزی نیمه رسانا

تبخير ليزرييک پرتو ليزري براي بخار کردن گرافيت در کوره.

. Torr 500 پرشدن کوره از شار گاز آرگون يا هليم با فشار شکل گیری بخار بسيار د2اغ

سرد شدن بخار مفروض متراک2م شدن بخار اتم ه2ا و مولکول هاي کربن2ي کوچ2ک براي تشکيل

خوشه هاي بزرگتر. متراکم شدن کاتالیست و ممانعت از نزديک شدن

بیشتر خوشه های کربنی به یکدیگر. تبدیل شدن مولکول هاي لوله اي اولیه

به نانولوله هاي کربني تک ديواره.روش رسوب شيميايي بخار

انواع روش های سنتزنانولوله های کربنی

49

PVD توسط اليه نشاني کاتاليستنقره

کبالتAl/Co/Al

مراحل انجام آزمایش50

CVDسنتز نانولوله های کربنی توسط

کوره پمپ روتاری

حمام هیدروکربن فلومتر

گاز آرگونلوله کوارتز

مراحل انجام آزمایش51

شرح دقیق مراحل انجام آزمایش

0.5nm (Al(10nm)/Co(2nm)/Al( اليه نشاني کاتاليست

ها را در نمونهقرار دادن لوله کوارتز خالء تا رسیدن به مدار کرديمبهپمپ چرخشي يا روتاري را ورود

10-3 mbar گاز آرگون با آهنگ ورودcc/min 200 روشن کردن کوره و تنظیم برنامه min15انجام فرآيند بازپخت به مدت دمايي مورد نظر

ورود هیدروکرب2ن )اتانول( ب2ه مدار پس از انجام فرآیند بازپخت

خنک نمودن کوره تا رسیدن به دمای اتاق

Si52شست وشوی نمونه های شیشه و

خواص نانولوله های کربنیرسانندگی باال در حالت فلزی

انتقال دهنده ضعیف میدان مغناطیسیهدایت گرمایی باالگسیل میدانی برابر فوالد(20استحکام بسیار زیاد )تقریبا

انعطاف پذیری بسیار مناسب

مقاومت مغناطیسی در درمای پایین4

)( 440

irrI

EIFLD3

3

کاربرد نانو2لوله های کربنیتوسعه نمایشگرهای صفحه تختاستفاده در المپ های خالءمحافظ تابش الکترومغناطیس در صنایع نظامیپیل های سوختی

رایانهحسگرهای شیمیاییکاتالیزتقویت مکانیکی

نانوذراتNano particles

تجمع2ی از واحدهای س2ازنده )ات2م ه2ا ی2ا مولکول ه2ا( با نانومتر.100 تا 1اندازه ای بین

:خواص منحصر به فرد نانوذرات : درص2د اتم های روی افزای2ش س2طح نس2بت ب2ه حج2م

س2طح نانوذرات و تعداد پیوندهای شکس2ته شده، نسبت به مواد حجیم بیشتر است.

حضور قوانین فیزیک کوانتوم

استفاده تاریخی:

رابطه اندازه و رنگ نانوذراتگذارهای الق2ا شده توس2ط نور بی2ن ترازهای انرژ2ی، رنگ

نانوذرات را تعیین می کند.

شباهت با اتم ها و ساخت اتم های مصنوعی

شکل نانو ذراتکرویمکعبیهرمیاستوانه ایمخروطیمنشوری

کاربردهای نانوذراتپزشکیالکترونیککامپیوترخودروکاتالیستتصفیه آب و فاضالباپتیکبهداشتی

با تشکر از توجه

شما

Any Question?