نانوسیم

نانو سیم‌ها استوانه‌هایی با قطر۱۰–۱۰۰نانومترهستند که به سبب خواص الکتریکی، مکانیکی، شیمیایی و نوری آنها، کاربردهای بالقوه‌ای در حسگرهای زیستی و شیمیایی، و رساناهای الکتریکی مورد استفاده در ابزارهای نانو الکتریک پیدا کرده‌اند. فرایند رشد بخار_مایع _جامد (VLS) یکی از روش‌های مرسوم تولید نانو سیم هاست. رشد نانو سیم‌های سیلیسیمی را می‌توان با بررسی دیاگرام فازی دوتایی طلا _سیلیسیم به خوبی درک کرد. باید توجه داشته باشیم که هیچ انحلال‌پذیری متقابلی بین طلا و سیلیسیم وجود ندارد.

در اولین مرحله رشد نانو سیم‌های سیلیسیمی به روش VLS, لایه نازکی از طلای خالص بر روی یک زیرلایه نشانده می‌شود. با گرم کردن زیرلایه، لایه نازک طلا در هم می‌آمیزد و به جزایری از نانوذرات جامد تبدیل می‌شود. نانو ذرات طلا که به آن‌ها کاتالیزگرنانوسیم هم گفته می‌شود به عنوان الگوی رشد نانوسیم‌های سیلیسیمی عمل می‌کنند. در مرحله بعد که مرحله بخارفرایند VLSبرای رشد نانو سیم‌های سیلیسیمی گاز سیلان SiH4 به درون محفظه نگهدارنده سیستم زیرلایه و نانو ذرات طلا دمیده می‌شود. سپس، زیرلایه تا دمای معینی بین دمای یوتکتیک سیستم طلا-سیلیسیم °C)363)ونقطه ذوب طلا)°C1064)حرارت داده می‌شود. سیلیسیم حاصل از تجزیه گازسیلان با نفوذ به درون نانوذرات طلا، نقطه ذوب آن‌ها را کاهش می‌دهند.

مرحله مایع فرایند رشد VLSبا افزایش درصد سیلیسیم در یک دمای ثابت، آلیاژ طلا_سیلیسیم وارد منطقه دو فازی دیاگرام فازی طلا_سیلیسیم می‌شود. نفوذ سیلیسیم به درون نانوذرات طلا تا ذوب شدن کامل نانوذرات ادامه می‌یابد. اما شکل نانوذرات طلا به دلیل انرژی سطحی بین زیرلایه و آنها، همچنان به صورت گلوله‌های نیم کروی (مانند قطره‌های روغن در یک تابه تفلونی) باقی می‌ماند. با ادامه نفوذ و افزایش درصد سیلیسیم نانوذرات، فاز جامد سیلیسیم خالص که نانوسیم‌های سیلیسیمی را تشکیل خواهد داد، شروع به جوانه زنی می‌کند. (مرحله جامد فرایند رشد (VLS. قطر نانوسیم‌ها معادل قطر نانوذرات طلاست. فاز مایع باقی‌مانده با رشد نانوسیم‌ها بر روی زیرلایه، به طرف بالای نانو سیم‌ها رانده می‌شود. نانوسیم‌ها درحالی که هنوز جریان گاز سیلان برقرار است، به رشد طولی خود ادامه می‌دهند. با اتمام رشد نانوسیم‌ها، دما کاهش پیدا می‌کند و فاز مایع باقی‌مانده بر روی آن‌ها در دمای یوتکتیک منجمد می‌شود.

نانوسیم‌ها را می‌توان از فلزات، مواد نیمه هادی، مولکول‌های آلی و غیره تهیه کرد و نیز می‌توان آن‌ها را در علوم مکانیک، الکترونیک، اپتیک یا پزشکی بکار برد. دراینجا به معرفی و بررسی نانوسیم‌های فلزی جدید و کاربرد آن‌ها می‌پردازیم که در فرامواد برای تولید مواد با ضریب شکست منفی در دامنه نوری، در سیم‌های کوانتومی نیمه هادی برای ترانزیستورها، حسگرهای زیستی، منابع نوری، شناساگرها و نانوسیم‌های مولکولی مورد استفاده است. در آخر انتقال ردیف‌های مجزای اتم‌ها در نظر گرفته خواهد شد.

نانوسیم (به انگلیسی: Nanowire)، نانوساختاری با قطری در مقیاس نانومتر (^۹-۱۰ متر) است. همچنین می‌توان نانوسیم‌ها را به‌عنوان ساختارهایی با ضخامت یا قطری در اندازهٔ ده‌ها نانومتر یا کم‌تر، و طولی نامشخص تعریف کرد. اثرات مکانیک کوانتومی، در این مقیاس‌ها اهمیت می‌یابد - و همین منجر به ابداع واژهٔ «سیم کوانتومی» شده‌است.

انواع بسیار مختلفی از نانوسیم‌ها وجود دارند، شامل فلزی (مثل نیکل، پلاتین، طلا)، نیمه‌رسانا (مثل سیلیسیم، ایندیوم فسفاید، نیترید گالیوم و …)، و نارسانا (مثل سیلیس، تیتانیا). نانوسیم‌های مولکولی از واحدهای مولکولی تکرارشوندهٔ آلی (مثل دی‌ان‌ای) یا معدنی (مثل Mo₆S_9-xI_x) تشکیل شده‌اند.

نانوسیم‌ها می‌توانند در آیندهٔ نزدیک برای پیوند قطعات ریز به مدارهای بسیار کوچک مورد استفاده قرار گیرند. این‌گونه قطعات را می‌توان با بهره از فناوری نانو، از ترکیبات شیمیایی تهیه کرد.

ویژگی‌های مکانیکی

ویژگی‌های مکانیکی نانوسیم‌های طلا با تغییر قطر سیم، تغییر قابل ملاحظه‌ای می‌کنند. درحالی که سیم‌هایی با قطر ۷۰ نانومتر استرس عملکرد ۶۰۰ مگاپاسکال را به نمایش می‌گذارند که این رقم برای قطر ۳۰ نانومتر، به ۱۴۰۰ مگاپاسکال افزایش میابد و تا قطر ۵ نانومتر، همچنان افزایش میابد. بررسی انتقال الکترون با میکروسکوپ نشان می‌دهد که تغییر شکل یافتگی به سبب حرکت دررفتگی و احتمالاً دوگانه‌سازی اتفاق می‌افتد. نانو حفرهٔ طلای بدست آمده از شستشوی آلیاژهای طلا-نقره، با چگالی نسبی ۰٫۲ تا ۰٫۴۵ و طول پیوند ۵ تا ۵۰۰ نانومتر، نشان دهندهٔ استحکام زیاد به مقدار ۱ تا ۱۵ گیگا پاسکال است.

مواد شاخص منفی با ساختار نانو

نانوسیم‌های فلزی و عایق‌ها و نیمه هادی‌ها، بدنهٔ پیشرفت‌های جدید در مواد با شاخص منفی دوبعدی یا سه بعدی (NIRs)هستند. ان آی ام‌ها دارای گذردهی الکتریکی منفی (e)نفوذپزیری مغناطیسی منفی (z) و شاخص شکست منفی (n) در یک باند فرکانس مشترک می‌باشند. برای بررسی مقدماتی ثانیه‌ای هرچند که بدست آوردن مواد با مقدار e کمتر از ۰، مثلاً با استفاده از منظم کردن سیم‌ها، ساده است، تحقق واکنش n کمتر از ۰ به خصوص در فرکانس‌های بالا و با توجه به عدم حضور مواد مغناطیسی طبیعی چالش‌برانگیز است. مواد با i کمتر از ۰ می‌توانند با صف‌های حلقه‌های فلزی فاصله دار که تشدیدگر شکاف حلقه ((SSRنام دارد، تحقق یابند که نشان دهندهٔ رژیم // کمتر از ۰ در مجاورت یک فرکانس رزونانسی مغناطیسی است. گفته می‌شود مواد مصنوعی با eوnمنفی دارای ویژگی قابل توجه ضریب شکست منفی هستند: پرتو سبکی که وارد چنین ان آی آم‌هایی شود، از سطح معمول خود به سمت مسیر نادرستی کج می‌شود. با استفاده از موادNIM رؤیای شنل نامرئی‌کننده را و لنزهای عالی محقق می‌گردند.

انواع نانوسیم‌ها

انواع نانوسیم‌ها عبارتند از:

• نانوسیم‌های فلزی

این نانو ساختارها به خاطر خواصی که دارند نویدبخش کارایی زیاد در قطعات الکترونیکی می‌باشند. نانوسیم‌ها را می‌توان از مس، نقره و طلا ساخت. نانوسیم‌های مسی به دست آمده از رسوب/ته‌نشین شدن بخار شیمیایی با ساختار جفت/دوقلو پنج برابری جهت ادغام در دستگاه‌ها مناسب هستند. محدودیت افزایش شناسه، از اثرناپذیری دیواره‌های کناری سیم‌ها با لیگاند فسفات که از ترکیب پیش ماده به دست آمده‌است، نشات می‌گیرد. پس افزایش تنها در دیواره‌های پوششی اتفاق می‌افتد. نانوسیم‌های مسی می‌توانند به عنوان تولیدکنندهٔ مطمئن الکترون، قابل استفاده باشند. نانوسیم‌های بیسموث را می‌توان از تکنیک الگو غشاء آندی آلومینا به دست آورد. بیسموت یک سمیملا! با جرم الکترون مؤثر کم، حامل طولانی راه آزاد متوسط و همپوشانی انرژی کم میان نوار انتقال و ظریفت است که می‌تواند منجر به انتقال نیمه هادی scmimetal در نانو سیم‌های "Bi" از طریق کاهش قطر سیم شود. ساخت نانوسیم‌های "Bi" به علت کادبرد بالقوه در دستگاه‌های حرارتی، توجه بسیاری را بخود جلب کرده‌است. نانوسیم آلیاژ پالادیم-نقره را می‌توان با روش قالب AM ساخت و انتظار می‌رود که بتوان از آن‌ها در حسگرهای هیدروژنی استفاده کرد.

• نانو سیم‌های آلی

نانو سیم‌های آلی همان‌طور که از نامشان پیداست از ترکیبات آلی بدست می‌آیند ویژگی این سیم‌ها نظیر رسانایی، مقاومت و هدایت گرمایی به ساختار مونومر و طرز آرایش آن بستگی دارد.

• نانوسیم‌های نیمه‌هادی

نانوسیم‌های نیمه‌هادی، ساختار شیمیایی این ترکیبات باعث به وجود آوردن خواص جالب توجه‌ای می‌گردد نانوسیم‌های نیمه هادی به عنوان دستهٔ قدرتمندی از مواد در حال ظهور می‌باشند که با کنترل رشد و سازمان دهی فرصت‌های جدیدی را برای دستگاه‌های الکترونیکی و فوتونیکی ریزمقیاس فراهم آورده‌است.

گروهی از روش‌ها برای ساخت نانوسیم‌های نیمه هادی در دسترس می‌باشند سیم‌های کوانتومی همگن را می‌توان با قطر پایین تا ۳ نانومتر و با وجود ناخالصی‌های خاص برای کنترل ویژگی‌های الکترونیکی، ساخت. اخیراً رشد کنترل شدهٔ محوری و شعاعی ناهمگن بدست آمده‌است که در آن به ترکیب یا دوپینگ به ترتیب بر روی یک سطح اتمی همراه یا عمود بر محور سیم کوانتومی سوار می‌شود. این طیف گستردهٔ ساختارهای کنترل شده، پیشرفت دستگاه‌های ریزمقیاس قدرتمند و یکتای الکترونیکی و اپتوالکترونیکی را برای استفاده در آینده میسر می‌سازد. ویژگی‌های مکانیکی نانوسیم‌های نیمه هادی، با توجه به کاربردهای بالقوه آن‌ها در دستگاه‌های الکترونیکی و الکترومکانیکی جالب است. اکسید روی یک نیمه هادی با یک شکاف مستقیم و وسیع باند در اندازهٔ ۳٫۳۷ الکترون ولت است؛ که دارای خواص فیزوالکتریک، زیست سازگاری خوب و در نتیجه تعدادی کاربردهای متفاوت است. درحالی که ضریب یانگ از اکسید روی، مستقل از قطر است و بیشترین مقدار استحکام برای سیم‌های با قطر کم بوده و حداکثر مقادیر تا ۴۰ برابر بخش عمده است.