ابداع روش جدید نقش‌نگاری لیزری ضربه‌ای برای ایجاد اشکال نانومقیاس
سیناپرس: این سیستم اولین روش ساخت ارزان‌قیمتی است که می‌تواند در فناوری‌های پیشرفته‌ای چون فرامواد پلاسمونی استفاده شود. روش جدید به نام نقش نگاری لیزری ضربه‌ای، اشکالی از ورقه‌های بلوری فلزها توسط یک سیستم ارزان قیمت ایجاد می‌کند که ویژگی‌های نوری و مکانیکی مطلوبی به آنها می‌بخشد.
نتایج یافته‌های پژوهشگران جمعه گذشته در ژورنال ساینس منتشر شد. در این پروژه تحقیقاتی گروهی از پژوهشگران دانشگاه‌های پردیو، هاروارد، سن دیگو و موسسه مطالعات پیشرفته مادرید به سرپرستی پروفسور گری شنگ از دانشگاه پردیو همکاری داشتند.
پژوهشگران از روش نقش‌نگاری لیزری ضربه‌ای برای ایجاد اشکال نانومقیاس از جنس تیتانیوم، آلومینیوم، مس، طلا و نقره استفاده کردند. اشکال ایجاد شده شامل اهرام نانویی، دندانه‌ای، میله‌ای، شیاردار و الگوی تور صید ماهی هزار برابر نازکتر از قطر موی انسانند لذا بسیار کوچکتر از آن هستند که بدون ابزار تصویربرداری ویژه قابل رویت باشند. مزیت اصلی این روش در این است که گوشه، زوایای تند و خطوط قائم در هر ساختاری را با دقت بالایی ایجاد می‌کند.
پروفسور شنگ می‌گوید: «چنین اشکال نانویی سطوح بسیار صافی دارند که برای کاربردهای تجاری بسیار مفید است اما تغییر شکل دادن مواد کریستالی توسط قالب نانویی که از هسته ماده اولیه نیز کوچکتر است کار بسیار دشواریست.»
در حالیکه دیگر پژوهشگران اشکال نانویی را از مواد آمورف (غیر بلوری) و نسبتا نرم ایجاد کرده بودند، تحقیقات جدید چگونگی ساخت اشکال نانویی از فلزات بلوری و سخت را نشان می‌دهد همچنین پژوهشگران ساختارهای هیبریدی با ترکیب فلز و گرافن که ورقه بسیار نازکی از کربن است ایجاد کردند و با ساخت الگوهای نانومقیاس از مواد هیبریدی گرافن/ فلزی روش جدیدی برای الگودهی به بلورهای دو بعدی ابداع نمودند. چنین ماده هیبریدی می‌تواند اثر پلاسمونی را افزایش دهد و جاذب‌های فراموادی یا MPA هایی که کاربردهای فراوانی در الکترونیک نوری و مخابرات بی‌سیم دارند را به وجود آورد.
فرامواد یا متامتریال ترکیبات مصنوعی از مواد مختلف هستند که خواص نوری غیر طبیعی از خود نشان می‌دهند و اغلب دارای ساختارهای میکروسکوپی با الگوهای تکرارشونده و اجزای نانومتری مهندسی شده هستند. آنچه این مواد را غیر معمول کرده است، خاصیت ضریب شکست منفی نور در آنها است، به این معنا که این مواد نور را در جهت مخالف مواد عادی منکسر می‌کنند. مواد الکترومغناطیس تشکیل دهنده آنها می‌تواند با دستکاری مختصر و دقیق در ساختارشان تنظیم شود. خواص نامتعارف این مواد سبب شده است کنترل بی‌نظیری از نور را ممکن کنند و تحولی در ادوات الکترونیکی سرعت بالا، سنسورهای پیشرفته و سلول‌های خورشیدی ایجاد کرده‌اند.
پژوهشگران برای تولید ساختارهای نانویی از پالس‌های لیزر برای ایجاد نرخ کرنش بالا در نقش‌نگاری نانویی فلز استفاده کردند و برای شروع، فیلم یا لایه نازکی از فلز را توسط نانو الگوهای شکل‌دهی سه بعدی قالب‌بندی کردند. سپس با نتیجه جالبی مواجه شدند؛ ساختارهای نانویی سه بعدی پس از فرایند نقش‌نگاری همچنان فرم بلوری خود را حفظ کرده بودند که ساختار بلوری ویژگی‌های الکترومغناطیسی و نوری خوبی به آنها می‌بخشد. همچنین نسبت منظری این اشکال بالاتر از عدد پنج است به این معنی که ارتفاع آنها پنج برابر بزرگتر از عرضشان است و این یک ویژگی مهم در عملکرد فرامواد پلاسمونی به شمار می‌آید.
پلاسمون ها می‌توانند به عنوان یک نوسان چگالی الکترون‌های آزاد نسبت به یون‌های مثبت در یک فلز توصیف شوند. پلاسمون نقش عمده‌ای در خواص نوری فلزات دارد. نور با فرکانس پایین‌تر از فرکانس پلاسما بازتاب می‌شود، زیرا الکترون‌ها در فلز میدان الکتریکی نور را نمایش می‌دهند. نور با فرکانس بالاتر از فرکانس پلاسما عبور می‌کند، زیرا الکترون‌ها نمی‌توانند به اندازه کافی سریع به نمایش آنها پاسخ دهند. بسیاری از فلزات که فرکانس پلاسمای آنها درناحیه فرابنفش است در ناحیه مرئی، براق (بازتابنده) هستند. برخی از فلزات مانند مس و طلا در ناحیه مرئی دارای گذارهای باند الکترونی هستند در نتیجه انرژی‌های نوری خاص (رنگ ها) توسط آنها جذب می‌شوند. نیمه‌هادی‌ها که فرکانس پلاسمای الکترون ظرفیت آنها معمولا در اعماق ناحیه فرابنفش است نیز بازتابنده هستند.
قالبهای نانویی از جنس سیلیکون در مرکز نانوفناوری بریک دانشگاه پردیو و به سرپرستی پروفسور مینگائو کی ساخته می‌شوند. پروفسور کی می‌گوید: « استفاده از سیلیکون در ساخت قالب به این دلیل است که در مقایسه با فلزات ماده بسیار شکننده‌ای است اما پس از ته‌نشین کردن یک لایه نازک از اکسید آلومینیوم روی قالب نانویی عملکرد آن تا حد زیادی بهبود پیدا می‌کند و می تواند چندین بار مورد استفاده قرار گیرد بدون آنکه دچار صدمه آشکار شود زیرا اگر چه نرخ کرنش بسیار بالا است اما فشار ضربه اعمال شده تنها در حد یک تا دو گیگاپاسکال است.»
از نظر فناوری ساخت، ایجاد ساختارهای نانویی بسیار صاف و دقیق چالش برانگیز است زیرا در حالت عادی وقتی فلزات تبلور مجدد پیدا می‌کنند دانه‌هایی تشکیل می‌دهند که سطحشان را کم و بیش زبر می‌کنند. پژوهشگران در آزمایش پیشین تولید نانوساختارهای فلزی ناچار به استفاده از نقش‌نگاری فشار بالا در فلزهای بلوری یا فلزهای آمورف بودند که زبری زیادی در فلزات بلوری یا سطوح صاف فلزات آمورف و نیز مقاومت الکتریکی بالایی به وجود می‌آورد. در کاربردهای عملی نانوساختار‌ها در نانوالکترونیک، الکترونیک نوری و پلاسمون‌‌ها ویژگی‌هایی چون دقت بالا، اتلاف الکترومغناطیسی پایین، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالایی مورد نیاز است. به علاوه از منظر الگو، در ایجاد گوشه‌های تیز و جداره‌های عمودی نیز دقت بالایی لازم است که پیش از کشف پروفسور گری رسیدن به تمام این ویژگی‌ها در کنار هم ممکن نشده بود.
پژوهش های آینده ممکن است در استفاده از این تکنیک برای ایجاد یک سیستم ساخت رول به رولی که در بسیاری از صنایع از جمله کاغذ و تولید ورقه‌های فلزی استفاده می شوند متمرکز شود. همچنین ممکن است این تکنیک در برنامه‌های کاربردی جدید مانند الکترونیک انعطاف پذیر و سلول‌های خورشیدی به کار رود.
No tags for this post.
