ابداع روشی جديد در ساخت فلزات نانوحفرهای
ثمین موتمنفر/ کارشناس الکترونیک نوری
سیناپرس: پژوهشگران روش مقرون به صرفه و موثری ابداع کردهاند که میتوان فلزات نانوحفرهای را در ابعاد مختلف از نانومقیاس تا مقیاسهای بزرگتر قابل رویت با چشم غیر مسلح ساخت. فلزات نانو حفرهای کاربردهای گستردهای در زمینه مهندسی مواد و الکترونیک نوری دارند. این نوع فلزات تحول عظیمی در توسعه و تولید ادوات نوری مثل حسگرها و سوییچهای نوری ایجاد کردهاند.
فلزاتی شبیه به کف صابون
فلزات نانوحفرهای ( فلزاتی پر از حبابهای ریز هوا) به دلیل کیفیت فوقالعادهشان، کاربردهای وسیعی دارند. آنها سطح بزرگی برای انتقال بهتر الکترون دارند که این ویژگی به عملکرد بهتر الکترودها در خازنهای لایه الکتریکی مضاعف یا باتریها کمک میکند. فلزات نانوحفرهای تعداد نقاط زیادی برای جذب سطحی مواد مورد تجزیه در اختیار دارند که ویژگی بسیار مطلوبی در حسگرها به شمار میآید.
فلزات نانو حفرهای جدید چگونه ساخته میشوند؟
پژوهشگران آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور و موسسه فناوری فدرال سوییس روش مقرون به صرفه و موثری ابداع کردهاند تا بتوان فلزات نانوحفرهای را در ابعاد مختلف از نانومقیاس تا مقیاسهای بزرگتر و قابل رویت با چشم غیر مسلح ساخت.
فرایند ساخت با یک ویفر سیلیکونی چهار اینچی آغاز میشود. توسط روش لایه نشانی اغتشاشی (اسپاترینگ)، پوششی از فلزاتی چون طلا، نقره یا آلومینیوم بر روی ویفر ایجاد میکنند. سپس ترکیبی از دو پلیمر به زیرلایه فلزی اضافه میشود تا الگوهایی روی آن ایجاد شود. به این فرایند لیتوگرافی یا طرحنگاری کوپلیمر دیبلاک میگویند. برای انتقال الگو به این صورت عمل میکنند که ابتدا طرح مورد نظر را با دقت نانومتری روی یک پلیمر واحد انتقال میدهند؛ این پلیمر نقش ماسک را برای الگو خواهد داشت. در آخر توسط روش فرزکاری پرتوی یونی ناهمسان طرح روی ماسک را بر روی ساختار حک میکنند تا دستهای از حفرهها در ساختار ایجاد شود. به این ترتیب فلز نانوحفرهای ساخته میشود.
در طی مراحل ساخت، زبری فلز مرتب آزمایش میشود تا تضمین شود که محصول نهایی تخلخل درستی پیدا کرده است زیرا تنها ویژگی کار با چنین فلزاتی وجود حفرههای نانویی در آنهاست.
در طی ساخت، پژوهشگران توانستند به پوشش ۹۲ درصدی روزنه با ۹۹ درصد یکنواختی بر روی ویفر سیلیکونی چهار اینچی دست یابند. تیزیانا باند مهندس آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور میگوید: «این همان فلز صاف و به طور یکسان متخلخلی است که باید میبود».
پژوهشگران توانستند معیاری تعریف کنند که بر اساس آن ساخت فلز نانوحفرهای پیش از تولید محصولی با حفرههای ناهمسان متوقف میشود تا در وقت و هزینه صرفهجویی شود. این معیار بر اساس ارتباط پارامتری بین پوشش حفرهای در طرحنگاری کوپلیمر دیبلاک و زبری سطح فلز تعیین شد.
کشف مهمی که توسط این تحقیق حاصل شده است در واقع ابداع روش جدیدی برای ساخت فلزات نانوحفرهای مقرون به صرفه است که با مقیاسهای مختلف و کنترل کیفیت بلادرنگ میتواند صورت بپذیرد بیآنکه روش لیفتآف برای زدودن نواحی اطراف الگو از فلز ناخواسته بجا مانده مورد نیاز باشد.
تکنیک لیفتآف
تکنیک لیفتآف که در روش ساخت فلزات نانو حفرهای پیشین مورد استفاد قرار میگرفت، در واقع روشی برای الگودهی به مواد، روی سطحی از زیرلایه است که توسط یک ماده ثانویه انجام میشود. عیب اصلی تکنیک فوق این است که لایه فلز به طور یکنواخت درمقیاس نانو کنده نمیشود.
کاربردهای جدید برای فلزات نانوحفرهای جدید
از فلزات نانوحفرهای میتوان در کاربردهای دیگری شامل توسعه فرامواد جدید (مواد مهندسی شده) برای فیلتر کردن و دستکاری تابشهای افزایش یافتهای چون نور فرابنفش عمیق استفاده کرد.
مواد نانوحفرهای جدید، با استفاده از تونلزنی پلاسمونهای سطحی، نور منتقل شده یا منعکس شده را به طور غیر عادی افزایش میدهند. ویژگی افزایش شدت نور منتقل شده در ادوات گسیلدهنده نور (مانند ال.ای.دی)، طرحنگاری پلاسمونی، سنسورهای بر پایه ضریب شکست نور و تمام سوییچهای نوری به طور گستردهای قابل استفاده است.
انقلاب فناوری
فناوری نانو قابلیت تولید و ساخت مواد، ابزار و سیستم های جدید با در دست گرفتن کنترل در مقیاس نانومتری یا همان سطوح اتمی و مولکولی است تا بتوان از خواصی که در این سطوح ظاهر میشوند که عمدتا متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک است استفاده کرد. این فناوری موج چهارم انقلاب صنعتی و پدیدهای عظیم است که در تمامی گرایشات علمی راه یافته و با سرعت هرچه تمام تر درحال توسعه است.
مادهای در مقیاس نانو
فناوری نانو به سه دسته مواد، ابزارها و سیستمها قابل تقسیم است. موادی که در سطح نانو در این فناوری به کار می رود، را نانو مواد میگویند. منظور از یک ماده نانو ساختار، جامدی است که در سراسر بدنه آن انتظام اتمی، کریستالی و ترکیب شیمیایی در مقیاس چند نانومتری گسترده شده باشد. در حقیقت این مواد متشکل از کریستالها یا دانههای نانومتری هستند که هر کدام از آنها ممکن است از لحاظ ساختار اتمی، جهات کریستالوگرافی یا ترکیب شیمیایی با یکدیگر متفاوت باشند. همه مواد از جمله فلزات، نیمههادیها، شیشهها، سرامیکها و پلیمرها در ابعاد نانو میتوانند وجود داشته باشند.
ساختارهای متخلخل و منحصر بهفرد
در حالت کلی مواد نانوحفرهای ساختارهای متخلخلی هستند كه اندازه حفرههای آنها كمتر از 100 نانومتر است. این تركیبات درمنابع طبیعی به فراوانی یافت میشوند و به عنوان زیر مجموعهای از مواد نانوساختار با دارا بودن سطح منحصر به فرد، شکل ساختمانی و خواص حجمی در زمینههای مختلفی از جمله فرایندهای تعویض یونی، جداسازی، کاربردهای کاتالیستی، ساخت حسگرها، ایزولاسیون ملکولهای زیستی و خالصسازی کاربرد دارند.
اندازه و نظم حفرهها كنترلكننده خواص مواد نانوحفرهای است. این مواد را میتوان براساس جنس ( آلی یا معدنی، سرامیک یا فلز) و یا خواص آنها دسته بندی کرد.
