روشهای ساخت نانو مواد

[TABLE="class: text, width: 100%"]
[TR]
[TD]به طور کلي عناصر پايه با دو رويکرد «بالا به پايين» و «پايين به بالا» قابل ساخت مي‌باشند. در رويکرد بالا به پايين براي توليد محصول، يک ماده توده‌اي را شکل‌دهي و اصلاح مي‌کنند. در حقيقت در اين روش، يک ماده بزرگ را برمي‌داريم و با کاهش ابعاد و شکل‌دهي آن، به يک محصول با ابعاد نانو مي‌رسيم. به عبارت ديگر، اگر اندازه يک ماده توده‌اي را به طور متناوب کاهش دهيم تا به يک ماده با ابعاد نانومتري برسيم، از رويکرد بالا به پايين استفاده کرده‌ايم. اين كار اغلب و نه هميشه شامل حذف بعضي از مواد به شکل ضايعات است، مثل ماشين‌کاري يک بخش فلزي از يک موتور يا نانوساختاري‌کردن فلزات به طريق تغييرشکل‌دهي (که شامل ضايعات نيست). [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]رويکرد پايين به بالا درست عکس رويکرد بالا به پايين مي‌باشد.در اين رويکرد، محصول از طريق کنار هم قراردادن مواد ساده‌تر به وجود مي‌آيد، مانند ساخت يک موتور از قطعات آن. در حقيقت کاري که در اينجا انجام مي‌شود، کنار هم قرار دادن اتم‌ها و مولکول‌ها (که ابعاد کوچکتر از مقياس نانو دارند) براي ساخت يک محصول نانومتري است. تصور کنيد که قادريم اتم‌ها و مولکول‌ها را به طور واقعي ببينيم و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهيم تا شکل مورد نظر حاصل شود. معمولاً روش‌هاي پايين به بالا ضايعاتي ندارند؛ هر چند الزاماً اين مسأله صادق نيست. [/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]

• ريسندگي الکتريکي
• روش ليتوگرافي قلم غوطه ور
• روش سنتز سيال فوق بحراني
• روش سل ژل
• طيف‌سنجي_جرمي_يون_ثانويه_(SIMS)

[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]

پاسخ : روشهای ساخت نانو مواد

روشهاي ساخت در مقیاس نانو: خودآرایی( نمونه ای از روش پایین به بالا)

به طور کلی روش های ساخت درمقیاس نانو به دو حالت پایین به بالا وبالا به پایین تقسیم میشن که تو پست قبل توضیح داده شده...خود آرایی نمونه ای از روش پایین به بالا:

خودآرايي چيست؟
خيلي ساده‌اش مي‌شود همديگر را گرفتن. ما مي‌خواهيم در مورد مجموعه‌اي از اشيا صحبت کنيم که همديگر را مي‌گيرند و با هم يک مجموعة بزرگ‌تر را تشکيل مي‌دهند. تعريف علمي‌تر عبارت است از اينكه خودآرايي يک روش ساخت پايين به بالا است که در آن اتم‌ها يا مولکول‌ها با ارتباطات فيزيکي يا شيميايي خود را به شکل يک ساختار منظم نانويي درمي‌آورند. ايجاد بلور نمک يا دانه‌هاي برف، با آن ساختارهاي پيچيده، مثال خوبي براي خودآرايي است.تصور کنيد يک پازل دستتان باشد و آن را به‌شدت تکان دهيد و پس از به‌هم‌ريختن پازل ببينيد که پازل خودبه‌خود در حال درست شدن است. مي‌بينيد چه تصور عجيبي است؟! اما چنين مسئله‌اي در طبيعت خيلي عجيب نيست! خيلي از سيستم‌هاي بيولوژيک و سيستم‌هاي فيزيکي غيرآلي، رفتارهاي خودآرايي را به‌خوبي به نمايش مي‌گذارند. دانشمندان مختلف در زمينه‌هاي شيمي، فيزيک، بيولوژي، مهندسي و رياضي جذب چنين سيستم‌هايي شدند و با اميدِ دستيابي به روش‌هاي طراحي و کنترل رفتار سيستم‌هاي خودآرا شروع به تحقيق کردند. با پيشرفت‌هاي اخير در زمينة دانشِ ميکرو و نانو، انگيزه‌ها هم افزايش يافت. از طرف ديگر، روش‌هاي ساخت در مقياس ميکرو و نانو به ما اجازة «پردازش دسته‌اي» را مي‌دهد. يعني ما توانايي ساخت نمونه‌هاي مختلف از يک جسم در آن واحد را خواهيم داشت. سؤالي که مطرح مي‌شود اين است که ما چطور چنين ابزارهايي را طراحي ‌کنيم تا بتوانند طوري خود را بيارايند که يک سازة مفيد و کارا ايجاد شود؟ به عبارت ديگر، روش‌هاي سنتي ساخت دقت محدودي داشتند و ساخت سازه‌هاي کوچک‌تر (در ابعاد نانو) نيازمند توسعة روش‌هاي جديد بودند. خودآرايي يکي از آن روش‌هاي جديد است که در طبيعت بسيار مورد استفاده قرار گرفته‌اند و دانشمندان بسياري در حال حاضر بر روي آن مطالعه مي‌کنند و درک عميق آن ممکن است به درک بهتر طبيعت زندگي نيز منجر شود.

خودآرايي در آشپزخانه (يا هرجاي ديگر خانه)
سيستم‌هاي مختلف و بسيار ساده‌اي وجود دارند که رفتار خودآرايي را به نمايش مي‌گذارند. علاوه بر اينکه بازي با آنها جالب است، اين سيستم‌ها به ما کمک مي‌کنند که خودآرايي را به‌سادگي مورد بررسي قرار دهيم. اين سيستم‌ها را مي‌توان بر اساس نيروهايي که موجب خودآرايي مي‌شوند به چند دسته تقسيم کرد. بياييد به مثال‌هايي که حتي در آشپزخانة منزل هم مي‌توانيد انجامشان دهيد نگاهي بيندازيم:

خودآرايي به وسيلة نيروهاي مويينگي
گروهي از محققان دانشگاه هاروارد، چند سيستم خودآرا را طراحي و بررسي کرده‌اند. بسياري از اين سيستم‌ها بر پاية اتصالات مويين عمل مي‌کنند. اين اتصالات از دو ويژگي مربوط به آب بهره مي‌برند:
1. اشياي کوچک روي آب يکديگر را جذب مي‌کنند. در اين حالت، ذرات نيروي جاذبه‌اي را در بين خود احساس مي‌کنند. منشأ اين نيرو کجاست؟ بله، منشأ اين جاذبه نيرويي است به نام «کشش سطحي» مولکول‌هاي آب. اگر يادتان باشد، يکي از اثرات کشش سطحي آب اين بود که حشرات سبک مي‌توانستند روي آب راه بروند. اين جاذبه‌اي هم که ذکر شد يکي ديگر از اثرات کشش سطحي آب است که به خاطر جاذبة بين مولکول‌هاي آب و جسم و همچنين جاذبة بين خود مولکول‌هاي آب ايجاد مي‌شود.
2. وقتي دو سطحِ آب‌گريز با يکديگر برخورد مي‌کنند، تماس خود را حفظ مي‌نمايند. علت اين پديده با نيروي بين دو سطح آب‌گريز و همچنين اثر کشش سطحي آب مرتبط است.
يک مثال خوب براي اين روش، هات‌‌داگ‌هاي دکتر کمپبل است که در شکل زير نشان داده شده‌اند.

مثال ديگر نيز استفاده از لِگوهاي شناور بر روي آب است که در شکل زير مي‌بينيد.

خودآرايي به وسيلة نيروي الکترواستاتيک (الکتريسيتة ساکن)

آرايش توسط نيروهايي مويين، مرتبط با اثر متقابل بين ذرات و همچنين نيروي بين ذرات و محيط آنهاست. ذرات داراي خصوصيات سطحي ــ آب‌گريزي و آب‌دوستي ــ هستند و محيط آنها آب است و اگر محيط آنها را به روغن يا الکل تغيير دهيم آرايش متوقف مي‌شود. سؤالي که با بررسي نيروهاي مويين مطرح مي‌شود اين است که آيا انواع ديگري از اثر متقابل ذرات ـ ذرات و ذرات ـ محيط وجود دارند که منجر به خودآرايي شوند يا خير؟
يک جايگزين طبيعي، استفاده از نيروهاي الکترواستاتيک براي تحريک به خودآرايي است. تقريباً همة ما با آزمايش شانه و خُرده‌کاغذ آشناييم و تشکيل زنجيره‌هايي کاغذي را در زير شانه ديده‌ايم. يک مثال ديگر، استفاده از دانه‌هاي برنج و روغن نباتي در ميدان الکتريکي است.اين فرايند در پويانمايي بالا نشان داده شده است. در اين پويانمايي، مرزهاي بالا و پايينْ الکترود هستند. يك اختلاف ولتاژ بين دو الکترود برقرار مي‌شود و ذرات با حرکت بين صفحات با انتقال بارشان شروع به خودآرايي مي‌کنند و سازة زنجيره‌مانندي را ايجاد مي‌نمايند.
در تصاوير زير نيز که به وسيلة ذرات مقوايي و روغن نباتي و با ولتاژ 15 کيلو ولت انجام شده است، ابتدا و انتهاي آزمايش را مشاهده مي‌کنيد.

خودآرايي به وسيلة نيروهاي مغناطيسي
يکي از سيستم‌هاي جالب و مورد توجه، خودآرايي به وسيلة مغناطيس است. در ساده‌ترين تصور، سيستم چيزي جز مجموعه‌اي از آهنرباهاي دايره‌اي نيست. آهنرباها به طور تصادفي درون يک ظرف قرار دارند. در اينجا يک تکان ساده کافي است تا آهنرباها به يکديگر بچسبند و سيستم منظم‌تري را به وجود آورند.

منظورمان از سيستم منظم‌تر چيست؟ در پويانمايي بالا نظم يافتن مشخص است. آهنرباها به طور تصادفي پخش شده بودند و در اثر تکان دادن، سازه‌اي زنجيره‌اي را تشکيل دادند. بايد توجه کنيم که پس از تکميل اين خودآرايي، بي‌نظمي همچنان در سيستم وجود دارد؛ به اين معنا که اولاً اگر آهنرباها را شماره‌گذاري کنيم خواهيم ديد که سيستم نهايي ترتيب يکساني از اعداد نخواهد داشت و دوم اينكه اگر بدنة هر آهنربا را با نوارهاي رنگي رنگ کنيم، خواهيم ديد که سيستم نهايي از لحاظ رنگ‌آميزي متفاوت خواهد بود.

پاسخ : روشهای ساخت نانو مواد

روشهاي ساخت در مقیاس نانو:لیتوگرافی ( نمونه ای از روش بالا به پایین)

ليتوگرافي، هنر ساختن در ابعاد کوچک

توسعة نانوفناوري بستگي به توان محققان در توليد کارآمد ساختارهايي با ابعاد کمتر از 100 نانومتر (کمتر از يک هزارم قطر موي انسان) دارد.

• فوتوليتوگرافي، فناوري‌اي است که هم‌اکنون براي ساخت مدار روي ميکروچيپ‌ها به کار گرفته مي‌شود. کاربرد اين فناوري را مي‌توان به توليد نانوساختارها تعميم داد، ولي تغييرات لازم بسيار گران و از نظر تکنيکي دشوارند.
• روش‌هاي ساخت سيستم‌هاي نانومتري دو دسته‌اند: بالا به پايين که با کندن مولکول‌ها از سطح ماده صورت مي‌گيرد و پايين به بالا که با نشاندن اتم‌ها و مولکول‌ها در کنار هم ساختار نانويي به وجود مي‌آورد.
• ليتوگرافي نرم و ليتوگرافي قلمي دو مثال از روش‌هاي مربوط به بالا به پايين هستند. محققان با استفاده از روش‌هاي پايين به بالا در حال ساخت نقاطي کوانتومي هستند که مي‌توانند به عنوان رنگ‌هاي بيولوژيک به کار روند.

يادتان هست آخرين بار کِي رايانه‌تان را ارتقا داده‌ايد يا به جاي رايانة کُندِ قديمي، رايانة جديدي گرفته‌ايد؟ اگر سرعت پردازنده‌ها را بر اساس سالي که اولين‌بار به بازار عرضه شدند يادداشت کنيد، شما هم مي‌توانيد با رسم يک نمودار در کاغذ نيم‌لگاريتمي، به کشفِ دوبارة «قانون مور» نائل آييد! قانون مور نشان مي‌دهد که از سال 1970 تا کنون، سرعت پردازنده‌ها هر 18 ماه دو برابر شده است. سرعت يک پردازنده ارتباط مستقيمي با تعداد ترانزيستورهاي به‌کاررفته در مدار مجتمع آن دارد. فکر مي‌کنيد اندازة پردازندة سريعِ امروزِ شما از پردازندة کُندِ سه سال پيش بزرگتر است؟ مسلم است که نه! علت اين رشد سرسام‌آور، پيشرفت فناوري و قابليت دسترسي بشر به توان طراحي و گنجاندن تعداد بيشتري ترانزيستور در واحد سطح است. اين رقم براي پردازنده‌هاي امروزي به بيشتر از 10 ميليارد ترانزيستور در يک سانتيمتر مربع مي‌رسد. مي‌توانيد طول يک ترانزيستور را تخمين بزنيد؟ اگر به عدد 100 نانومتر رسيده‌ايد، محاسبة شما درست است. اما 100 نانومتر طول رشته‌اي است که فقط از 500 اتم سيليکون تشکيل شده باشد. با اين اطلاعات فکر مي‌کنيد آيا باز هم بشر قادر است به اين رشد سريع ادامه دهد؟
اگر بخواهيم به همين ترتيب پيش برويم، تا سال 2010 طول هر ترانزيستور از 50 اتم و تا سال 2015 حتي از 5 اتم هم کمتر خواهد شد. همين واقعيت است که ايدة ساختن نانوساختارها با ابعاد چند اتم را هم براي دانشمندان و هم براي شرکت‌ها بسيار جذاب کرده است.

روش معمول توليد
در سال‌هاي اخير دانشمندان روش‌هاي مختلفي براي ايجاد نانوساختارها پيدا کرده‌اند، اما اين روشها در حال حاضر در مرحلة آزمونِ کارآيي و توانمندي‌اند. «فُتوليتوگرافي»، فناوري‌اي که امروزه براي ساخت پردازنده‌هاي رايانه و مي‌توان گفت تمام انواع مدارهاي مجتمع به کار گرفته مي‌شود، قابليت ارتقا براي توليد ساختارهايي در ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد. اما انجام اين کار بسيار مشکل، گران و پردردسر است. براي پيدا کردن روش‌هاي جايگزين، محققانِ ساخت سيستم‌هاي نانومتري, در حال بررسي هزاران ايده و صدها روش هستند، تا شايد يکي از آنها جواب بدهد.
ابتدا به سراغ سودمندي‌ها و کاستي‌هاي فُتوليتوگرافي مي‌رويم. توليدکنندگانِ مدارهاي مجتمع در دنيا از اين شيوة بسيار کارآمد براي توليد بيش از 10 ميليارد ترانزيستور در هر ثانيه استفاده مي‌کنند. ارزش توليدات صنعتي با استفاده از تنها اين يک فناوري، به بيش از 140 ميليارد دلار در سال مي‌رسد. فُتوليتوگرافي در اصل تعميم‌يافتة عکاسي است. ابتدا چيزي شبيه نگاتيو عکاسي از شِماي مدار مجتمع تهيه مي‌شود. اين نگاتيو ــ که در اينجا «ماسک» ناميده مي‌شود ــ براي تکثير طرح بر روي هادي‌ها و نيمه‌هاديها به کار گرفته مي‌شود. تهية نگاتيو به سادگي عکاسي نيست، اما با داشتن آن مي‌توان به‌راحتي هزاران نسخه تکثير کرد. بنابراين، روند کار به دو بخش اصلي تقسيم مي‌شود: اول تهية ماسک (که مي‌تواند کُند و هزينه‌بر باشد)، و دوم استفاده از ماسک براي تهية نسخه‌هاي بعدي (که بايد سريع و ارزان باشد).
براي توليد ماسکِ يک قطعة رايانه‌اي، ابتدا شِماي مدار در مقياس به‌نسبت بزرگ طراحي مي‌شود. سپس اين طرح به صورت لاية نازکي از فلز (اغلب کُروم) روي صفحة شفافي (اغلب شيشه يا سيليکون) درمي‌آيد که در مجموع به آن «ويفر» گفته مي‌شود.

​

سپس فُتوليتوگرافي، در فرآيندي شبيه آنچه در تاريکخانة عکاسي اتفاق مي‌افتد، ابعاد طرح را کوچک مي‌کند. براي اين کار يک دسته پرتو نور (اغلب نور فرابنفشِ يک لامپ جيوه) از ماسک عبور مي‌کند و با استفاده از يک عدسي، تصويري روي سطح سيليکون تشکيل مي‌دهد. روي سيليکون با لايه‌اي از جنس پليمرهاي آلي حساس به نور (فُتورِزيست) پوشانده شده است. قسمت‌هايي که نور ديده‌اند در فرآيند تثبيت حذف مي‌شوند و طرحي معادل طرح اوليه روي سطح سيليکون پديدار مي‌شود.
سؤال اين است: چرا از فُتوليتوگرافي براي توليد نانوساختارها استفاده نکنيم؟ دو محدوديت در مقابل اين فناوري وجود دارد. اول اينکه کوچک‌ترين طول موج فرابنفشي که در فرآيند توليد استفاده مي‌شود 250 نانومتر است. سعي در تهية ساختارهاي با ابعاد کمتر از اين طول موج، مانند سعي در خواندن نوشته‌هاي بسيار ريز است. پديدة «پراش» باعث محو شدن نوشته‌ها مي‌شود.
پيشرفت‌هاي تکنيکي مختلف، محدوديت‌هاي فُتوليتوگرافي را کمي عقب رانده‌اند. کوچک‌ترين ساختارهايي که توليد انبوه شده‌اند، ابعادي در حدود 100 نانومتر دارند. با اين حال، اين ابعاد هنوز براي دستيابي به بسياري خواص جالب نانوساختارها به اندازة کافي کوچک نيستند.
محدوديت دوم هم پيامد محدوديت اول است. چون از نظر تکنيکي توليد اين ساختارها با نور بسيار دشوار است، انجام اين کار بسيار گران تمام مي‌شود. ابزارهاي ليتوگرافي که براي ساخت عناصري با ابعاد کمتر از 100 نانومتر به کار مي‌روند هر کدام 10 تا 100 ميليون دلار ــ يعني در حدود 10 تا 100 ميليارد تومان ــ قيمت دارند. صرف اين هزينه شايد براي توليدکنندگان منطقي نباشد، اما براي فيزيک‌دان‌ها، زيست‌شناسان، مهندسان مواد و شيمي‌دان‌ها که براي بررسي خواص سيستم‌هاي نانومتري به توليد ساختارهاي با طراحي خودشان نياز دارند، ضروري است.

نمونه هايي از نانوليتوگرافي، به مقياس‌ها دقت کنيد.

​

نانوچيپ‌هاي آينده
صنعت الکترونيک به طور جدي به دنبال پياده کردن روش‌هاي جديد ساخت سيستم‌هاي نانومتري است تا بتواند به روند ساختن ابزارهاي کوچک‌تر، سريع‌تر و ارزان‌تر ادامه دهد. طبيعي است که در قدم اول بايد تلاش کنيم تا روش‌هاي موجود براي ميکروالکترونيک را به نانوالکترونيک تعميم دهيم. اما همان‌طور که گفتم، استفاده از روش معمولِ فُتوليتوگرافي در ابعاد ريزتر، بسيار دشوارتر است. به همين علت، توليدکنندگان قعطات رايانه به دنبال فناوري‌هاي جايگزين براي ساخت نانوچيپ‌ها در آينده هستند.
ليتوگرافي پرتو الکتروني، يکي از جايگزين‌هاي پيش رو است. در اين روش، طرح مدار با استفاده از پرتو الکترون روي لاية نازکي از پليمر نوشته مي‌شود. پرتو الکترون در ابعاد اتمي پراشيده نمي‌شود، بنابراين لبه‌هاي طرح ديگر ناخوانا نيستند. محققان از اين روش براي ترسيم خطوطي با پهناي چند نانومتر روي سطح سيليکون آغشته به فوتورِزيست استفاده کرده‌اند. با اين حال، ابزارهاي پرتو الکتروني که امروزه وجود دارند، براي توليد انبوه در صنعت مناسب نيستند. زيرا اين روش کُند است؛ کاري شبيه نسخه‌برداري از روي يک نوشته با دست.
اگر الکترون‌ها جوابگو نيستند، پس چه بايد کرد؟ يک جواب ديگر، استفاده از اشعة ايکس با طول موجي بين 1/0 تا 10 نانومتر يا نور فرافرابنفش با طول موج بين 10 تا 70 نانومتر است. کوچک‌تر بودن طول موج اين نورها از طول موج نور فرابنفش که اينک در فُتوليتوگرافي استفاده مي‌شود، تأثير پراش را کمتر مي‌کند. با اين حال، اين فناوري‌ها هم مشکلات خاص خودشان را دارند. عدسي‌هاي معمولي نور در برابر نور فرا ـ فرابنفش ديگر شفاف نيستند و اشعة ايکس را متمرکز نمي‌کنند. در عين حال، انرژي زيادِ اين پرتوها به‌سرعت به مواد تشکيل‌دهندة ماسک و عدسي‌ها آسيب مي‌رساند. اما صنعت ميکروالکترونيک، ترجيح مي‌دهد از تعميم روش‌هاي موجود براي توليد نانوچيپ‌ها استفاده کند. بنابراين، اين روش‌ها به طور جدي در حال توسعه‌اند. بعضي از اين روش‌ها ــ مثلاً استفاده از فُتوليتوگرافي پيشرفتة فرا ـ فرابنفش براي ساخت مدار مجتمع ــ ممکن است به روش‌هاي پررونق تجاري تبديل شوند. با اين حال، با اين روش‌ها نانوچيپ‌هاي ارزان ساخته نمي‌شوند و نمي‌توان نانوفناوري را در دسترس تعداد بيشتري از مهندسان و دانشمندان قرار داد.
نياز به سيستم‌هاي ساده‌تر و ارزان‌ترِ ساخت ابزار نانومتري، دانشمندان را به جست‌وجوي روش‌هايي متفاوت از آنچه در صنعت الکترونيک به کار مي‌رود، ترغيب کرده است. «ليتوگرافي نرم» يکي از اين روش‌هاست که بيشتر شبيه ساختن يک مهر لاستيکي از طرح مدار و چاپ آن با تماس مکانيکي است. روش ديگر که ازميکروسکوپ نيروي اتمي استفاده مي‌کند «ليتوگرافي قلمي» نام دارد که شبيه نوشتن با جوهر و پرِ قو است. دستة ديگري از روش‌ها که به روش‌هاي «پايين به بالا» معروف‌اند، با رويکردي به‌کل متفاوت به توليد نانوساختارها مي‌پردازند. در اين روش‌ها اتم‌ها يک‌به‌يک در کنار هم قرار مي‌گيرند تا ساختار مورد نظر ما را تشکيل دهند.

پاسخ : روشهای ساخت نانو مواد

وقت بخیر
خیلی عالب بود.مرسی