(۳-۱۴)
که D قطر میانگین دانه میباشد که برای طلا D50 نامیده می شود. در غیاب هر نوع وابستگی اندازه متوسط ذره به عرض سیم، مولفهی MS مقداری ثابت بوده و مولفهی FS در مقاومت ویژهی کل غالب خواهد بود. توزیع اندازه دانه در فیلم/سیمهای نازک بسبلوری بصورت یک لگاریتم توزیع عادی شناخته می شود . معادله (۳-۱۳) را با تغییر اندازه دانه متوسط بصورت تابعی از پهنای خط[۳۵] (پهنای سیم) اصلاح میکنیم. در روشی مشکل، این توزیع در معادله بولتزمن وارد و حل میگردد، اما ما از تصحیح مرتبهی اول برای نظریه MS استفاده میکنیم. از آنجا که اندازه دانهای متوسط یک لگاریتم توزیع عادی را دنبال می کند، میتوان توزیع اندازه ذرهای موثر را بصورت تابعی از پهنای خط تخمین زد. فاصلهی متوسط بین مرزدانهها بصورت زیر داده میشوند:
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
(۳-۱۵)
که:
(۳-۱۶)
که σ انحراف معیار لگاریتمی از قطر دانه است.
۳-۵-۳-۶- محاسبات تئوری مقاومت ویژهی نانوسیم طلا
برای نانوسیمهای طلا مسافت آزاد میانگین الکترونیکی از مرتبهی nm40 بدست می آید .
مقدار عددی محاسبه شده فرمول ۳-۱۲ برای نانوسیم طلا با فرض ۵/۰ P =و اندازه
ذرهای nm40 برای طلا (D50 D =)، با خط پر در شکل (۳-۶) نشان داده شده است.
شکل (۳-۶) نمودار محاسبه شده از وابستگی مقاومت ویژه به عرض سیم بر پایه پراکندگی سطح FS (منحنی خط پر)، پراکندگی مرزدانهی MS به همراه اصلاحیهی توزیع اندازه ذره (منحنی خطچین)، و ترکیب هر دو جمله (منحنی نقطهچین). منحنی چهار نقطهای نیز از حالت با اندازه ذرهای nm40 از منحنی (۳-۷) گرفته شده است .
همانطور که مشاهده میگردد، افزایش قابل توجه مقاومت ویژهی سیم، زمانیکه عرض به زیر nm25 کاهش مییابد مشاهده میگردد، که متفاوت با مشاهدات تجربی ما میباشد. حتی با در نظر گرفتنnm70=λ (حالت تودهای)، از عرض nm50 به پایین افزایش مقاومت ویژه را خواهیم داشت، اما در ادامه خیلی سریعتر از مشاهدات تجربی افزایش خواهد یافت. در نتیجه تنها با بهره گرفتن از مدل FS نمی توان وابستگی مقاومت ویژه به عرض یا اندازه ذره را توصیف کرد.
برای محاسبهی مولفهی MS، توزیع اندازه های دانهای با بهره گرفتن از STM اندازه گیری میشوند. این اندازه گیریها متناسب با یک لگاریتم توزیع عادی با مقدار ۲/۰=σ هستند، که بازتابی از توزیع محدود اندازه های ذرهای در فیلم است. حال از معادله ۳-۱۵ و ۳-۱۶ بدست می آید که Deff در محدوده D503/1D50<w<5/0، با کاهش پهنای سیم (w) کاهش مییابد. یعنی در بازهی حدود nm52>w>nm20 که با در نظر گرفتن nm40D50= بدست می آید، این وابستگی به عرض یا پهنای سیم در مقاومت ویژه قابل مشاهده است.
بدین ترتیب محاسبات نظری MS یک وابستگی به اندازه را برای مقاومت ویژهی نانوسیمهای بسبلوری پیش بینی می کند. از آنالیز داده های AFM نیز فهمیده می شود که با کاهش عرض سیم (در این محدوده) اندازه ظاهری ذره کاهش مییابد . نمودار خطچین در شکل (۳-۶) برپایهی پراکندگی مرزدانهی MS رسم گردیده که به مقدارتجربی نزدیکتر شده است. مشاهده می شود که نمودار برای عرضهای سیمی از nm60 به بالا یا D505/1 تخت شده که نشان دهنده ثابت بودن مولفهی MS در حالت عدم وابستگی اندازه متوسط ذره به عرض سیم در محدودههای بالاتر میباشد.
از آنجا که خرده بلورهایی با اندازه ذرهای متوسط nm20، قطری برابر با D505/0دارند و
از بازهی وابستگی اندازه ذره به عرض سیم (D503/1D50<w<5/0) خارجاند، این حالت نیز با محاسبات تجربی در توافق میباشد.
از آنجا که هر دو مکانیسم پراکندگی با هم رخ می دهند، برای یافتن مقاومت ویژهی کل باید هر دو جمله FS و MS اصلاح شده را ترکیب کرد که نتیجه در شکل (۳-۶) با منحنی نقطهچین نشان داده شده است. همانطور که دیده می شود، این منحنی در توافق خوبی با نمودار تجربی که بصورت نمودار چهار نقطهای در شکل (۳-۶) آورده شده است، دارد. پس این ترکیب یک وابستگی به عرض ایجاد می کند که با داده های nm40=λ، nm40D=، ۲/۰σ=، ۵/۰P= و ۹/۰R= در توافق است.
این توافق منجر به نتیجه گیری راجع به سیستمهای بلوری با ابعاد قابل مقایسه با مسافت آزاد میانگین الکترونیکی میگردد: اولاً اینکه وقتی عرض سیم قابل مقایسه با اندازه ذرهای میانگین است (D503/1D50<w<5/0 و یا nm52>w>nm20)، پراکندگی مرزدانه در افزایش مقاومت ویژه غالب خواهد بود، دوماً وقتی عرض سیم تقریباً به زیر نیم برابر اندازه ذرهای میانگین (nm20) میرود، پراکندگی سطحی غالب خواهد بود.
۳-۵-۴- نانوسیمهای نیمههادی
در بررسی کلی نیمههادیها نام تعدادی از آنها و بعضی خصوصیاتشان ذکر شد، اما هنگامی که به سراغ محدودسازی ابعاد میرویم و بعنوان مثال وارد دنیای نانوسیمهای نیمهرسانا میگردیم که از دو بعد محدودند، ممکن است بعضی تفاوتها مشاهده شده و پدیدههایی کوانتمی نیز پدیدار گردد. امروزه نانوسیم بسیاری از نیمرساناها با تکنیکهای مختلف تولید نانوساختاری بدست آمده و بعضی از آنها جنبه تجاری نیز یافتهاند.
از جمله این نانوسیمها میتوان به نانوسیم CdTe، CdSe، CdS که بصورت مستقیم و CuXS، CdS که بصورت غیرمستقیم و با سولفوردهی متعاقب نانوسیم در قالب تولیدیاش و یا ZnO و SnO2 که با گرمادهی و فرایند اکسایش متعاقب و با روش مورد نظر ما در این پایان نامه یعنی روش الکتروانباشت شیمیایی تهیه میشوند، اشاره کرد. البته بسیاری از این نانوسیمها و نانوسیمهای دیگر از روشهای دیگری مانند روش بخار- مایع-گاز یا اسپاترینگ خلا و یا سل- ژل بدست آمدهاند.
در این پایان نامه و در فصول بعدی به روش ساخت بعضی از این نانوسیمها که در آزمایشگاه لایهنشانی بخش فیزیک دانشگاه شیراز و در جهت هدف این کار یعنی رسیدن به مقاومت الکتریکی در مقیاسهای ریز انجام شده است، میپردازیم.
الکتروانباشت نیمههادیها چالشی جدید را نه تنها از دید علمی بلکه همچنین از نقطه نظر اقتصادی به نمایش می گذارد.
بسیاری از مقالات و کتب در رابطه با الکتروانباشت نیمههادیها در دسترس هستند . کتابی مختص راجع به این موضوع در سال ۱۹۹۶ توسط پاندی[۳۶] و همکارانش نوشته شده است ، که اولین دیدگاه کامل در این رابطه را تا پایان قرن ۱۹ ارائه می کند. اخیراً شلسینگر[۳۷] نیز تحقیقات در این زمینه را تا سال ۱۹۹۸ بررسی کرده است .
نانوسیم Si اولین نیمرسانایی بود که از طریق الکتروانباشت در سال ۱۹۶۵ تهیه گردید ، که این شاخه امروزه در صنعت مورد استفاده میباشد.
گسترش الکتروانباشت اکسیدها که مناسب برای مطالعات اکسیدی بود در حوالی ۱۹۹۶ صورت گرفت ، که اکثر آنها مواد نیمههادی هستند.
از نیمههادیهای غیرکلاسیکی جالب میتوان به CuSCN یا CuI اشاره کرد که گاف نواری پهنی دارند و از نیمههادیهای نوع p هستند. از کاربردهای آن میتوان به ترانزیستورهای دارای نانوسیمهای قائم بر زیرلایههای انعطافپذیر که با روش الکتروانباشت نانوسیمهای CuSCN ساخته شده اند اشاره کرد .
گفته شد که اکثر اکسیدها نیمههادی هستند. آنها گپ باندی در بازهی مقادیر کم تا چندین الکترون ولت دارند. همچنین کاربردهای مهمی از قبیل اکسیدهای رسانای شفاف، سنسورها، ابزار گسیل نور، لیزرها و ترانزیستورها دارند که در میان اکسیدها زینک اکسید کاربردهای بیشتر و چندین جانبهای دارد. الکتروانباشت اکسیدهای فلزی هم بطور مستقیم و هم غیر مستقیم، بعنوان مثال با اکسایش متعاقب انجام میپذیرد.
تغییر خواص در مقیاس نانو در مواد مختلف متفاوت بوده و می تواند کاربردهای متفاوتی را برای آنها بوجود آورد. بعنوان مثال در زیر بعضی کاربردهای مختص به نانوسیم ZnO که قسمت عمدهای از کار این مقاله بر روی ساخت آن انجام شده است را بیان میکنیم.
۳-۵-۴-۱- نانوسیم ZnO
ZnO از مواد چند کاربردی است که از سال ۱۹۵۰ شناخته شده بود. این ماده در زمینه های زیادی مانند مقاومت نیمههادی، سنسورهای گازی، سلولهای خورشیدی و غیره استفاده می شود. بعنوان یک نیمههادی مهم در سالهای اخیر ZnO توجه زیادی را به خود جلب کرده است که بخاطر گپ باند هدایت بزرگ، انرژی بستگی محرک قوی و جنبه های کاربردی مهم در وسایل اپتوالکترونیک است . تهیه آرایههای منظم نانوسیم گامی مهم بطرف تحقق یافتن وسایل میکرواپتوالکترونیک است . در میان استراتژی های مختلف ساخت نانوسیم، سنتز قالب ترکیب شده با الکتروانباشت دیدگاهی کنترلپذیر و ارزان برای تهیه نانوسیمها با طول، ساختار و ترکیبهای شیمیایی منحصر به فرد با داشتن پایداری مکانیکی و گرمایی خوب و حفرههایی تقریباً موازی و یکنواخت میباشد . نانوسیمهای Zn نیز که با اکسایش قابل تبدیل به ZnO هستند معمولاً به روشهای سنتز مختلف تولید میشوند ، که به استفاده از زیرلایههای مختلف مانند آلومینای آندیک متخلخل نیاز است.
نانوسیم ZnO در بازهی وسیعی از کاربردها از قبیل لیزرهایUV محفظهی گرمایی ، سنسور گازی ، سلولهای خورشیدی ، وسایل اپتوالکترونیک ، دیودهای گسیلندهی نور و نانوسیستمهای برداشت انرژی حضور دارد.
ZnO خود به تنهایی خاصیت الکترولومینانس یا فروزندگی دارد که با قرار گرفتن این ماده در قالبهای AAO این خاصیت افزایش مییابد .
نانوسیمهای ZnO همچنین با توجه به نیمرسانا بودن میتوانند در تراشههای میکروالکترونیکی کاربرد داشته باشند، که از جمله این کاربردها می تواند استفاده بعنوان میکرومقاومت باشد. این موضوع می تواند با بررسی جریانهای عبوری و پدیده های کوانتمی فعال در این نانوسیمها و یا بطور تجربی مورد ارزیابی قرار گیرد. یکی از اهداف این کار نیز امکان سنجی تحقق این موضوع میباشد.
فصل چهارم
نانوحفره و کاربردهای آن
۴-۱- مقدمه
در فصول قبل به بررسی نانوسیمها و کاربردهای آنها در رشته های مختلف تکنولوژی و صنعت پرداختیم.
روشهای مختلفی برای ساخت آرایهای از نانوسیمها وجود دارد که به بعضی از آنان اشاره کردیم.
در این فصل میخواهیم به بررسی کاملتر یکی از روشهای سنتز قالب بپردازیم.
گفته شد که لیتوگرافی یکی از روشهای مناسب جهت تولید نانوساختارها میباشد که بدلیل وجود ماسک، نظم بالایی از ساختار را به ما خواهد داد، اما بدلیل قیمت بالای تجهیزات ماسک، برای خیلی از تحقیقات غیرقابل استفاده میباشد.
سنتز قالب روشی جالب و ارزان و تکنیکی ساده جهت تولید بسیاری از نانوساختارها میباشد، که می تواند جایگزین مناسبی برای روشهای لیتوگرافی گردد. تنوع این روش در ارائه قالب، مواد، الگوها، نرخ نظم و ویژگیهای اندازه بر اهمیت آن افزوده است.
دو نوع از قالبها در این روش توجه بیشتری را به خود جلب کرده اند که شامل پوستههای
اثر سونش پلیمری[۳۸] و پوستههای آلومینای آندیک متخلخل می شود. ناگفته نماند از مزیتهای روش لیتوگرافی تنوع بیشتر در انتخاب زیرلایه نسبت به پوستههای متخلخل میباشد.
از تفاوتهای دیگر دو روش وجود بازهای محدود از نظم در نانوساختارهای تهیه شده به روش سنتز قالب نسبت به لیتوگرافی است.
هدف این فصل بررسی پوستههای آلومینای آندیک متخلخل میباشد.
۴-۲- آندایز آلومینیوم