مقاله فارسی نانو تكنولوژي علم خواص عجيب مواد

نانو تكنولوژي علم خواص عجيب مواد
از نانوتكنولوژي، بيوتكنولوژي و فناوري اطلاع رساني به عنوان سه قلمرو علمي نام مي برند كه انقلاب سوم صنعتي را شكل مي دهد. از همين روست كه كشورهاي در حال توسعه كه اغلب از دو انقلاب قبل جا مانده اند، مي كوشند با سرمايه گذاري در اين سه قلمرو، عقب ماندگي خود را جبران كنند. همان گونه كه در اين گزارش مي خوانيد، نانوتكنولوژي كاربردهاي گسترده اي در تمام حيطه هاي زندگي دارد و از اين رو توسعه آن مي تواند به بهبود و تسهيل زندگي كمك فراوان كند.
اتم سنگ بناي بنيادي ماده است و در نتيجه اتم ها بسيار كوچك هستند. توصيف و تصور جهان در سطح اتم و ملكول دشوار است. اين حيطه از علم به قدري عجيب است كه بخشي خاص از فيزيك به آن اختصاص يافته شده كه مكانيك كوانتم نام دارد. هدف اين علم براي توصيف رخدادها در سطح اتم است.اگر قرار بود توپ تنيس را به طرف ديوار پرتاب كنيد و توپ از آن بگذرد و به سوي ديگر ديوار برود، حتماً تعجب مي كرديد. اما اين دقيقاً همان اتفاقي است كه در مقياس كوانتم رخ مي دهد. در مقياس بسيار كوچك، خواص ماده مانند رنگ، مغناطيس و توانايي انتقال برق نيز به شكل غيرمنتظره تغيير مي كند. ديدن جهان اتم به معناي عادي كلمه ميسر نيست، چون خواص آن كوچكتر از طول موج نور قابل ديدن است. اما در سال 1981 پژوهشگران شركت آي بي ام نوعي ميكروسكوپ ساختند كه نام آن STM بود. اسم اين ميكروسكوپ در واقع از يك خاصيت در مكانيك كوانتم گرفته شده بود كه در ميكروسكوپ ياد شده به كار مي رود. اين دستگاه مي توانست پستي و بلندي هاي در مقايس جهان نانو را نشان دهد. ميكروسكوپ
STM اين امكان را به دانشمندان داد كه براي اولين بار اتم ها و ملكول ها را ببينند. تصاوير اين ميكروسكوپ به زيبايي و وضوح تصاوير طبيعت اما در مقياس تصورناپذير نانومتر بود.
يك نانومتر يك ميليارديم متر يا حدوداً به طول 10 اتم هيدروژن است. با وجودي كه دانشمندان از سال هاي دهه 1950 درباره بررسي مواد در اين مقياس تلاش كرده بودند، آنان ناچار شدند تا اختراع ميكروسكوپ STM صبر كنند تا به هدف خود برسند.
عموماً در اين باره توافق وجود دارد كه نانوتكنولوژي اشياء بين يك تا 100 نانومتر را در بر مي گيرد، هر چند كه اين تعريف تا حدي قراردادي است. برخي افراد اجسامي به كوچكي يك دهم نانومتر را نيز در نظر مي گيرند كه به اندازه پيوند بين دو اتم كربن است. در ديگر سوي اين گستره در اجسام بزرگتر از 50 نانومتر قوانين فيزيك كلاسيك صدق مي كند.
مواد بسياري هستند كه داراي خواص اجسام در مقياس نانو هستند اما اسم نانوتكنولوژي به آنها اطلاق نمي شود. نانوتكنولوژي در پي آن است تا از خواص عجيب اجسام در مقياس بسيار كوچك استفاده كند.
جورج اسميت سرپرست بخش علم مواد در دانشگاه آكسفورد گفت در مقياس نانو، خواص «جديد، هيجان انگيز و متفاوتي» يافت مي شود. با كوچك تر شدن اجسام، نسبت بين فضاي سطح و حجم آن افزايش مي يابد. اين امر بدان علت مهم است كه اتم هاي موجود در سطح يك ماده معمولاً بيشتر از اتم هاي مركز آن واكنش نشان مي دهند. از
اين رو، اگر نقره به ذرات بسيار كوچك تبديل شود، خواص ضدميكروبي پيدا مي كند كه در حجم انبوه آن وجود ندارد. يك شركت با توليد ذرات ريز از تركيب اكسيد سديم از اين خاصيت استفاده مي كند و ماده اي توليد مي كند كه خاصيت كاتاليزوري آن بيشتر است.
در اين جهان ناديدني، ذرات كوچك طلا در دماي چند صد درجه پايين تر ذوب مي شود و مس كه معمولاً رساناي خوب الكتريسيته است، ممكن است در لايه هاي نازك و در مجاورت ميدان مغناطيسي مقاوم شود.
الكترون ها (مانند همان توپ تنيس خيالي) مي توانند از نقطه اي به نقطه ديگر بجهند و ملكول ها مي توانند همديگر را از مسافت هاي متوسط جذب كنند. اين خاصيت به برخي حشرات اجازه مي دهد روي سقف راه بروند، چون موهاي ريز كف پايشان به سقف مي چسبد.
اما يافتن خواص جديد در مقياس نانو گام نخست است. گام بعدي استفاده از اين دانش است. توانايي ساخت اجسام با دقت اتمي اين امكان را به دانشمندان مي دهد كه موادي با خواص بهتر يا جديد نوري، مغناطيسي، حرارتي يا الكتريك توليد كنند.
اكنون انواع جديدي از ماده توليد مي شود. مثلاً شركت نانوسونيك در ويرجينيا لاستيك فلزي توليد كرده است. اين ماده مانند لاستيك انعطاف و انحنا مي پذيرد اما الكتريسيته را مانند فلزي محكم منتقل مي كند. مركز تحقيقاتي جنرال الكتريك در پي ساخت سراميك انعطاف پذير است. در صورت موفقيت، از اين ماده مي توان در ساخت قطعات موتور جت استفاده كرد و موتورهايي ساخت كه در دماي بيشتر با كارايي بهتري كار كند.
چندين شركت مشغول كار روي موادي هستند كه روزي به صورت رنگ به سلول هاي خورشيدي بدل خواهد شد.
از آنجايي كه نانوتكنولوژي كاربردهاي گسترده اي دارد، بسياري از افراد فكر مي كنند اين علم اهميتي به مانند برق يا پلاستيك پيدا كند. مطالعات نشان مي دهد نانو تكنولوژي با بهبود مواد و محصولات و توليد مواد كاملاً جديد بر تمام صنايع تأثير خواهد گذاشت. افزون براين، فعاليت در حد كوچكترين مقياس ها به پيشرفت هاي مهم در عرصه هايي مانند الكترونيك، انرژي و پزشكي زيستي خواهد انجاميد.
آغاز نانوتكنولوژي
نانو تكنولوژي از يك رشته علمي خاص مشتق نمي شود. با وجودي كه نانو تكنولوژي بيشترين وجه مشترك را با علم مواد دارد، خواص اتم و ملكول شالوده بسياري از علوم است و در نتيجه دانشمندان حوزه هاي علمي به آن جذب مي شوند. برآورد مي شود در سراسر جهان حدود 000/20 نفر در نانو تكنولوژي كار مي كنند. تحقيقات در مقياس بسيار ريز در رشته هاي الكترونيك، نوروبيوتكنولوژي به ترتيب نانوالكترونيك، نانو اپتيكس و نانو بيوتكنولوژي نيز ناميده مي شود.
پيشوند نانو از كلمه يوناني به معناي كوتوله مشتق مي شود. براساس برآورد شركت لاكس ريسرچ در نيوريورك، بودجه كل تحقيق و توسعه نانو تكنولوژي دولت ها و شركت ها در سراسر جهان در سال 2004 بيش از 6/8ميليارد دلار بود. نيمي از اين
بودجه از جانب دولت ها تأمين مي شد. اما به پيش بيني لاكس ريسرچ در سال هاي آينده، شركت ها احتمالاً بودجه بيشتري از دولت ها صرف اين علم خواهند كرد.
در آمريكا، پس از طرح فرستادن انسان به كره ماه، نانو تكنولوژي بيشترين بودجه را از دولت فدرال دريافت كرده است. در سال ،2004 دولت آمريكا 6/1ميليارد دلار صرف نانو تكنولوژي كرد، يعني دو برابر بودجه طرح ژنوم انسان در اوج انجام آن. در سال 2005 قرار است 982ميليون دلار ديگر صرف آن شود. در مكان دوم بودجه نانو تكنولوژي ژاپن قرار دارد. بسياري از كشورهاي در حال توسعه مانند هند، چين، آفريقاي جنوبي و برزيل جزو كشورهايي هستند كه بيشترين بودجه را در اين زمينه صرف مي كنند.
در خلال شش سال پيش از ،2003 سرمايه گذاري در نانو تكنولوژي توسط سازمان هاي دولتي هفت برابر شده است. اين حجم سرمايه گذاري انتظارات را به اندازه اي افزايش داده است كه شايد قابل تحقق نباشد. برخي معتقدند شركت هاي نانو تكنولوژي مانند حباب شركت هاي اينترنت در سال هاي اخير از بين خواهند رفت. اما دلايلي وجود دارد كه نشان مي دهد درباره مخاطرات آن گزافه گويي شده است. سرمايه گذاران خصوصي اكنون بسيار محتاط تر از دوره رونق شركت هاي اينترنت هستند و بيشتر پولي كه دولت ها در اين زمينه اختصاص مي دهند، صرف علوم پايه و فناوري هايي مي شود كه تا سال ها در اختيار همگان قرار نخواهد گرفت.
با اين حال كيفيت برخي محصولات موجود با كاربرد نانو تكنولوژي بهبود يافته است و در چند سال آينده بر تعداد آنها افزوده خواهد شد. مثلاً با افزودن ذرات ريز نقره، بانداژ ضد سوختگي خاصيت ضد ميكروبي پيدا كرده است. با اتصال ملكول هاي ايجاد كننده مانع به فيبر پنبه، پارچه هايي توليد شده است كه ضد لكه و بو است. راكت هاي تنيس با افزودن ذرات ريز تقويت شده است. در درازمدت نانو تكنولوژي به نوآوري هاي بزرگتري خواهد انجاميد، از جمله انواع جديد حافظه كامپيوتر، فناوري پزشكي و روش هاي توليد انرژي بهتر مانند سلول هاي خورشيدي.
طرفداران اين فناوري مي گويند نانو تكنولوژي به توليد انرژي پاك و توليد بدون مواد زائد و غيره خواهد انجاميد. مخالفان آن معتقدند نانوتكنولوژي باعث ايجاد نوعي نظام شناسايي بين المللي و آسيب به فقرا، محيط زيست و سلامت انسان خواهد شد. به نظر مي رسد هر دو گروه در مورد استدلال هاي خود گزافه گويي مي كنند، اما به هرحال بايد از نانو تكنولوژي استقبال كرد.
نانوتكنولوژي در صنايع نيمه‌هادي
صنايع نيمه‌هادي در سير تكامل خود در حال رسيدن به نقط‌هاي است كه توانايي آن براي توليد نقاط كوچكتر با مشكلاتي جدي همچون اثرات كوانتومي و نوسانات سطوح اتمي روبرو خواهد شد.
مشكلات ديگر در راه پيشرفت عبارتند از مصرف بالا، اتلاف حرارت و هزينه بسيار بالاي ساخت. اين مسائل در آينده مانعي سخت براي توليد نيمه‌هادي‌هاي كارآمد خواهد بود. به
گفته ، نانوتكنولوژي به ادامه پيشرفت و توليد كمك خواهد كرد و همچنين فناوري‌هاي جديد را قادر خواهد ساخت تا گوي سبقت را در جلب رضايت بازار از بربايند.غول‌هاي بزرگ صنعتي همچون فري‌اسكيل ‌، آي‌بي‌اِم، اينفينئون و اينتل پشتوانة مهمي براي نانوحافظه‌ها به حساب مي‌آيند.
يك گزارش جديد از بيانگر اين مطلب است كه همان‌طوركه روش‌هاي كنوني ليتوگرافي به پايان راه خود رسيده‌اند، ابزار‌هايي كه براي توسعه، توليد و آزمايش به كار مي‌روند، نيز بايد بر پاية نانوتكنولوژي طرح‌ريزي گردند. پرتوافكن مستقيم الكترونيكي كه در توليد Aبه كار مي‌رود، نمونه‌هاي از ابزاري است كه به كمك نانوتكنولوژي بوجود آمده‌است. اما نانوماركتز معتقد است كه كاربرد واقعي نانوتكنولوژي در توليد محصولات جديد، با توجه به خصوصيات مواد مقياس نانو مي‌باشد. بخش‌هايي از صنعت نيمه‌هادي كه بيشترين تأثير نانوتكنولوژي در آنها ديده مي‌شود خارج از مقوله قرار دارند. به گفته نانوماركتز اين موضوع در موارد زير به وضوح ديده مي‌شود:
حافظه غيرفرار: حافظه غيرفرار يكي از عوامل تقويت محاسبات سيار است. اما با توجه به اينكه حجم و سرعت فناوري محدود مي‌باشد، حافظه‌هاي جديد كه در طراحي آنها از نانوتكنولوژي بهره گرفته شده است، كارايي بهتري را از خود نشان داده‌اند. وM نمونه‌هايي از اين نوع حافظه‌ها هستند.
الكترونيك پليمري: سوني، زيراكس و سايرين آماده‌اند كه محصولات الكترونيك لايه نازك را وارد بازار كنند. الكترونيك پليمري، برخلاف ، از خصوصيات حرارتي بسيار خوبي برخوردار است و هزينه‌ توليد در حجم كم را پايين مي‌آورد. اين خصوصيات امكان توليد محصولات جديدي را به وجود مي‌آورد. در سال 2006 نمايشگر‌هاي بزرگ رولي و همچنين برچسب‌هاي با قيمت پايين توليد خواهد شد كه امكان استفاده از آنها براي اجناس يك‌بار‌مصرف فراهم خواهد شد.
o نانوحسگر: نانوحسگرها نسبت به رقباي خود از آستانه تشخيص بسيار پايين‌تري برخوردارند. آنها قادرند در زمينه كشف امراض بيولوژيك نقش مهمي را ايفا كنند. به گونه‌اي كه در مورد اعلام وجود سرطان، از سرعت بسيار زيادي برخوردارند.
گزارش بيانگر اين مطلب است كه نانوتكنولوژي به‌زودي مي‌تواند در مديريت حرارتي و اتصالات داخلي پر‌سرعت، به ميزان قابل‌توجهي كمك نمايد. در زمينه اتصالات داخلي پرسرعت مي‌توان از نانولوله‌ها استفاده نمود زيرا توانايي آنها در انتقال جريان از مس خيلي بيشتر است و مي‌توان آنها را به روش‌هاي قابل انطباق با ها رشد داد (اينفينئون در سال 2002 اين قابليت را نشان داد). از نانولوله‌ها مي‌توان خنك‌كننده‌هاي بسيار خوبي براي رفع مشكلات حرارتي ساخت (همانند قطعاتي كه اينتل از سال 2002 به بعد به كارشان گرفت) و يا مي‌توان با ايجاد جرقه بين آنها جرياني از هواي خنك توليد نمود.
از اين گزارش چنين نتيجه گرفته مي‌شود كه فرصت‌هاي قابل توجهي در نانوالكترونيك وجود دارد. به‌گونه‌اي كه در سال 2006 نانوحافظه‌ها به تنهايي 1/3 ميليارد دلار سودآوري خواهند داشت. همان‌گونه كه در بالا توضيح داده‌شد، اين امر هم‌اكنون در قالب
روش‌هاي جديد براي تكميل ها آغاز شده‌است. اين گزارش نشان مي‌دهد كه سازندگان نيمه‌هادي‌ها از هم‌اكنون بايد به فكر طرح ريزي براي به‌كارگرفتن نانوتكنولوژي در توليدات خود باشند. در غير اين‌صورت بايد از دست دادن توليدات بزرگ آينده را بپذيرند، كه البته پذيرفتن اين ريسك بسيار دور از ذهن به‌نظر مي‌رسد.
نانو فیزیك
اصولاً اتصالات نیم رسانا – فلز جزو لازمه تمامی قطعات الکترونیکی اند. چگونگی و رفتار اتصالات الکتریکی به غلظت سطح نیم رسانا (Si) ، تمیزی سطح و واکنش های بین فصل مشترک فلز – نیم رسانا بستگی دارد. بعد از ابداع ترانزیستور توسط جان باردین ، مفهوم و اهمیت مدارهای مجتمع روشن شد.
پس از آن موفقیت بزرگ تجمع و اتصال تعداد بسیار زیادی از قطعات کوچک و اجزای الکترونیکی بر سطح زیر لایه تحول عظیمی در ساخت عملی مدارهای مجتمع بوجود آورد. با ابداع و رشد فناوری مینیاتور کردن قطعات الکترونیکی بشر به یکی از مهمترین دستاوردهای خود در قرن گذشته نائل آمد.
● سیر تکاملی و رشد:
با گسترش ، طراحی و ساخت مدارهای مجتمع به ویژه افزایش انباشت قطعات در مقیاس خیلی بزرگ در دهه ۱۹۸۰ تلاش برای کوچکتر کردن قطعات میکرو الکترونیکی ادامه یافت. از طرف دیگر تقاضای جدید برای ساخت مدارهای مجتمع به ویژه مدارهای حافظه
شامل حافظه دینامیکی و حافظه استاتیکی با ویژگی هایی نظیر سرعت عمل بالا توأم با کاهش اتلاف توان روزبه روز بیشتر شد.
در روند تکاملی فناوری فرامینیاتور کردن قطعات الکترونیکی بویژه در هندسه و مقیاس زیر میکرونی کمتر از ۰.۲ میکرو متر یعنی حوزه فناوری طراحی قطعات نانو الکترونی و فناوری ساخت مدارهای مجتمع از پیچیدگی خاصی برخوردار است.
بطور متوسط در هر شش سال ابعاد و اندازه قطعات الکترونیکی به نصف تقلیل یافته است.
امروزه با استفاده از مزیت های مجتمع سازی کوچکی قطعات ، بطور مشخص فناوری نانو الکترونیک ساختار این گونه مدارهای مجتمع گسترده تر و پیچیده تر است. بطوری که این مدارها از ده ها میلیون ترانزیستور ، دیود ، مقاومت الکتریکی و خازن تشکیل شده است.
عرض خطوط اتصالات بین قطعات مختلف در سال ۲۰۰۰ میلادی ۰.۱۸ میکرومتر بود، که کاهش آن همچنان ادامه دارد. در راستای پیشرفت این فناوری ، در همین سال مجموع فروش مدارهای مجتمع در دنیا حدود ۱۵۰ میلیارد دلار بر آورد شده است. به این دلیل پیچیدگی و ویژگیهای خاص مدارهای مجتمع با ساختار نانومتری بکار گیری مواد جدید و ‏فرآیند های بهتر تولید و همچنین استفاده روشهای دقیقتر ساخت.
● مشخصه یابی لایه نازک قطعات الکترونیکی:
مشخصه یابی لایه نازک قطعات مختلف امری الزامی است. بعضی از فرایندهای مهم ساخت مدارهای مجتمع عبارت اند از:
▪ نفوذ کاشت یونی
▪ لیتوگرافی
▪ فلز نشانی
▪ غیر فعال سازی و غیره
که در فناوری نانو الکترونیک برای انجام این گونه فرآیند ها باید از پارامترها و سیستمهای خاص استفاده کرد. مثلاً در فرایند فلز نشانی استفاده از فلز مس به جای فلز رایج آلومینیوم برای اتصالات درونی بین قطعات مختلف عملی اجتناب ناپذیر است.
اما نفوذ سریع اتمهای در زیر در عملیات حرارتی منجر به تشکیل لایه سلیساید مس و در نهایت سبب تخریب قطعه الکترونیکی می شود. برای رفع این مشکل معمولاً از یک لایه میانی از مواد دیرگذار مانند و یا به عنوان سد نفوذی برای بهبود پایداری حرارتی لایه استفاده می کنند.
● ساخت و مشخصه یابی سیستم های چند لایه ای:
مشخصه یابی سیستم های چند لایه ای اخیراً مورد مطالعه قرار گرفته است. در این زمینه تاثیر ولتاژ بایاس منفی بر بهبود خواص الکتریکی و ساختاری سد نفوذی لایه اسپاترنیگ در سیستم گزارش شده است.
همچنین در فناوری طراحی قطعات نانو الکترونی با استفاده ار میکروسکوب نیروی اتمی () و ساخت لایه های نازک مورد نیاز در مدارهای مجتمع مذکور فقط در محیط های تعریف شده توسط روش های دقیق لایه نشانی نظیر لایه نشانی با باریکه مولکولی () و لایه نشانی با بخار شیمیایی مواد آلی فلزی () امکان پذیر است.
● وسعت فناوری نانو الکترونیک:
در فناوری نانو الکترونیک فرایندهایی سطح زیر لایه از جمله سوزش توسط فناوری پلاسما و باریکه یونی صورت می گیرد. این گونه مدارهای مجتمع با ویژگی های منحصر به فرد خود در مقیاس نانومتری کاربردهای متنوعی از سیستم های مزوسکوپیک دارند. بعضی از این کاربردها عبارت اند از:
▪ ساخت نقطه ها و سیستم های کوانتومی تونل زنی در دیودهای تشدید کننده مثل و
▪ طراحی و ساخت تقویت کننده های لیزری مثل
▪ طراحی و ساخت میکرو احساسگرها و ماشین های میکرونی برای کاربردهای خاص

فایل : 13 صفحه

فرمت : Word