شکل ۲-۲: طیف گسیلی پراکندگی الکترونی رامان در چاه کوانتمی برای قطبش ………………………………………………………………………………………………………………………………….۲۷
( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه 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. )
شکل ۲-۳: طیف گسیلی پراکندگی الکترونی رامان در چاهسیمهای کوانتمی و نقاط کوانتمی برای قطبش ……………………………………………………………………………………………………..۳۵
شکل ۳-۱: چاه پتانسیل بینهایت یک بعدی……………………………………………………………………۴۴
شکل ۳-۲ : نمودار انرژی زیر نوارهای نقطه کوانتمی دیسک شکل بر حسب شعاع به ازای ……………………………………………………………………………………………………………….۵۱
شکل ۳-۳ : نمودار انرژی زیر نوارهای نقطه کوانتمی دیسک شکل بر حسب میدان مغناطیسی به ازای………………………………………………………………………………………………………….۵۲
ج
شکل ۳-۴: طیف گسیلی نقطه کوانتمی دیسک شکل برای قطبش ………………………..۵۳
شکل ۳-۵ : طیف گسیلی نقطه کوانتمی دیسک شکل برای قطبش ……………………….۵۴
شکل ۳-۶: طیف گسیلی برای دو مقدار مختلف از شعاع نقطه کوانتمی برای قطبش …………………………………………………………………………………………………………………………………۵۵
شکل ۳-۷: طیف گسیلی برای دو مقدار مختلف از شعاع نقطه کوانتمی برای قطبش …………………………………………………………………………………………………………………………………..۵۵
د
فصل اول
مقدمهای بر پراکندگی رامان
۱-۱ مقدمه
پراکندگی رامان مطالعه نوعی از برهمکنش بین نور و ماده است که در آن نور دچار پراکندگی غیرکشسان میشود. در آزمایشهای طیف سنجی رامان، فوتونهای تک طول موج (در ناحیه‌ی مرئی، نور تکفام گفته میشود) روی نمونه متمرکز میشوند. فوتونها با مولکولها برهمکنش می‌کنند و بازتابیده، جذب یا پراکنده میشوند. طیف سنجی رامان فوتونهای پراکنده شده را مطالعه می‌کند. غالباً فوتون‌هایی که با مولکولها برهمکنش می‌کنند، به طور کشسان پراکنده میشوند. به این نوع پراکندگی، پراکندگی ریلی گفته میشود و فوتونهای پراکنده شده همان طول موج نور فرودی را دارند. اما تقریباً از هر یک میلیون فوتون، یک فوتون به طور غیرکشسان پراکنده میشود. در پراکندگی رامان، فوتون فرودی با ماده برهمکنش می‌کند و طول موج آن به سمت طول موجهای بیشتر یا کمتر جابجا میشوند. جابجایی به طول موجهای بیشتر غالب است و این پراکندگی را رامان استوکس می‌گویند. اتفاقی که در اینجا می‌افتد آن است که فوتون با ابر الکترونی پیوندهای گروه های عاملی برهمکنش کرده و الکترون را به یک حالت مجازی برانگیخته می‌کند. سپس الکترون از حالت مجازی به یک حالت ارتعاشی یا چرخشی برانگیخته واهلش مییابد. این باعث می شود که فوتون مقداری از انرژی خود را از دست بدهد و به صورت پراکندگی رامان استوکس آشکارسازی شود[۱]. انرژی از دست داده شده ارتباط مستقیمی با گروه عاملی، ساختار مولکولی متصل به آن، نوع اتمهای مولکول و محیط آن دارد. طیفهای رامان هر مولکول، منحصر به فرد است. از این رو میتوان از آن مانند “اثر انگشت” در تشخیص ترکیبات مولکولی روی یک سطح، درون یک مایع یا در هوا استفاده کرد[۲] .
۱-۲ تاریخچه
پراکندگی ناکشسان نور توسط آدولف اسمکال[۱] در سال ۱۹۲۱ پیش بینی شده بود ولی این پدیده در سال ۱۹۲۸ مشاهده شد. پدیده رامان، به نام دانشمند هندی سر رامان[۲] که این اثر را با بهره گرفتن از نور خورشید مشاهده کرده بود، نامیدند که در سال ۱۹۳۰ به‌خاطر این کشف وی توانست جایزه نوبل فیزیک را دریافت کند. این اثر فیزیکی توسط جورج پلاکزیک[۳] چکوسلوواک بین سال‌های ۱۹۳۰ تا ۱۹۳۴ توسعه یافته و کامل شد.
رنگ آبی آسمان سیاره ما ناشی از پراکندگی نور خورشید از مولکولهای گازی موجود در جو میباشد. در این موقعیت پرسیدن این سوال که چه کسی برای اولین بار این پراکندگی را مشاهده کرد، امری بیهوده است. افرادی مانند لئوناردو داوینچی[۴] در قرن ۱۵ میلادی و نیوتن در قرن ۱۷ میلادی و کلوزیوس[۵] در قرن ۱۹ میلادی سعی کردند که چرایی آبی بودن رنگ آسمان را توجیه کنند، گرچه غالب تئوری‌های آنان اشتباه بود. برای اولین بار در آزمایشگاه تیندال، ریلی[۶] در سال ۱۸۹۹ میلادی نظریهای بیان نمود که توانست پراکندگی نور را توجیه کند. این نظریه پراکندگی پاسخی بود به چرایی آبی بودن رنگ آسمان سیاره ما. پدیده رنگین کمان نیز گواه بزرگتری برای رنگی بودن نورهای بازتابیده و پراکنده شده در آسمان بود که پیدا کردن راه حل منطقی این سوال که چرا رنگ آسمان آبی است را پیچیده‌تر و دشوارتر می‌کرد. بسیاری از دانشمندان تلاش‌های زیادی برای پاسخگویی به این سوال کردند تا اینکه مولوکوفسکی[۷] توانست در سال ۱۹۰۸ میلادی بهترین توجیه را به جامعه علمی ارائه دهد. این دانشمند مبنای توجه خود را بر افزایش قابل ملاحظه چگالی شدت در هنگام پراکندگی نور و تغییر فاز نور در هنگام شکست آن قرار داد. در سال ۱۹۸۰ انیشتین[۸] ، نشان داد که چگونه میتوان این تغییرات را در متغیرهای ترمودینامیکی و همچنین شدت نور در زمان شکست را دقیقا اندازه گیری کرد. زرنیک[۹] و ارنشتاین[۱۰] برای پراکندگی نور رابطه‌ی بدست آمده توسط انیشتین را در نقطه شکست تایید کردند و به بیان دیگری نظریه پراکندگی نور حاصل از تغییرات شدت در نقطه شکست در اوایل قرن ۲۰ میلادی به خوبی منسجم شد. بسیاری از اطلاعات خام مشاهده شده در آن زمان به کار گرفته شد تا با موفقیت این پدیده فیزیکی را توجیه کنند. همچنین دراین میان، این اطلاعات توانست مقدار عدد آواگادرو را با بهره گرفتن از نور پراکنده شده در گازها بادقت مشخص کند. مطالعات پراکندگی نور در کشورهایی مانند روسیه، فرانسه، هند و ایالات متحده آمریکا و آلمان به طور جدی دنبال میشد. در اوایل قرن ۲۰ میلادی افرادی مانند رامان[۱۱] و کریشنان[۱۲] در هند و لندزبرگ[۱۳] و مندل[۱۴] در روسیه و کابانز[۱۵] و دائور[۱۶] در فرانسه پیشرو این زمینه بودند. این سه گروه در حال بررسی تغییر فرکانس نور پراکنده شده در شرایط مختلف فیزیکی بودند که دو گروه هندی و روسی مطالبی را مشاهده کردند که برنامه یا هدفی برای مشاهده آن نداشتند. این یافته‌ها توسط این دو گروه مبنای نظریه مورد نظر ما میباشد. آقایان لندربرگ و مندل اشتام پراکندگی نور را در کوارتز و چند بلور دیگر مورد بررسی قرار دادند تا نورهای بازتابیده که دچار تغییر فرکانس شده‌اند را بیابند. در همان زمان رامان و کریشنان در کلکته هند هزاران کیلومتر دورتر از دانشمندان روسی در حال بررسی تغییرات نور در اثر کامپتون بودند. آنها با چاپ سه مقاله در سال ۱۹۲۸ میلادی در این زمینه این اثر را به نام خود ثبت نموده و موفق به دریافت جایزه نوبل شدند این در حالی بود که گزارش رامان و کریشنان اندکی زودتر از گزارش دانشمندان روسی بود[۳]. امروزه مطالعات بر روی پراکندگی نور در زمینه تجربی و تئوری به هزاران شاخه منتهی میشود و چند هزار دانشمند و محقق به طور جدی بر روی این مسئله در حال تحقیق و کاوش هستند[۵و۴].
۱-۳ کاربردهای مهم پراکندگی رامان در فناوری نانو
۱- شناسائی و جداسازی برخی از ترکیبات آلی و معدنی [۷]
۲- تعیین ساختار شیمیائی ترکیبات [۷]
۳- تعیین شرایط مرزی برای میدان الکتریکی در نزدیکی سطح [۸]
۴- از طیفسنج رامان برای آنالیز ذرات نانو مقیاس برخی از ملکولهای آلی و نانو بلورهای DNA و نانو تیوپ‌های کربنی میتوان استفاده نمود[۱۱-۹].
۵- برای تعیین قطر کربن و کایرالیته کربن (کربن کایرال، کربنی است که چهار گروه اتم متصل به آن متفاوت باشد) و تعیین قطر نانو ذرات معدنی میتوان از طیفسنج رامان استفاده نمود[۱۲و۱۱].
۱-۴ نانوفناوری چیست؟
نانوفناوری، توانایی انجام کار در سطح اتمی و مولکولی برای ایجاد ساختارهای بزرگ و جدید است. رفتار مواد در ابعاد نانو در مقایسه با رفتار ساختارهای حجیم بسیار تفاوت دارد. نانوفناوری به مواد و سیستم‌هایی مربوط می شود که ساختار و اجزای آنها به دلیل ابعاد نانومتری، خواص فیزیکی و شیمیایی ویژهای را نشان میدهد. هدف از توسعه نانوفناوری، کنترل ساختارها و دستگاهها در سطح اتمی، مولکولی و فرامولکولی یادگیری چگونگی ساخت و تولید و کاربرد این دستگاههاست. رفتارهای جدید در مقیاس نانو را نمی توان از کاهش فوقالعادهی ابعاد دانست. بلکه پدیده های ذاتی و جدید حاکم در مقیاس نانو، همچون محدودیت اندازه و اعتبار بیچون و چرای روابط مکانیک کوانتمی را باید از دلایل اصلی شمرد. زمانی که بتوانیم اندازه را کنترل کنیم، ارتقاء ویژگیهای ساده و عملکرد دستگاهها به سطحی فراتر از آنچه که امروزه میدانیم و یا حتی امکان پذیر فرض میکنیم، میسّر خواهد شد.
همه مواد و سیستمها، زیربنای ساختاری در مقیاس نانو ترتیب می دهند. در اینجا مثالهایی را ذکر میکنیم. یک مولکول آب دارای قطری در حد ۱ نانومتر است. کوچکترین ترانزیستورها به اندازه ۲۰ نانومتر میباشند.
نانوفناوری، اتحاد ساختارهای نانویی در جهت ایجاد ساختارهای بزرگتر را که میتوانند در صنعت، پزشکی و حفاظت محیطزیست استفاده شوند، شامل می شود. هنوز چند دهه به توانایی تولید فراوردههای تجاری مانده است ولی مدلهای نظری رایانهای و محاسباتی نشان میدهد که دستیابی به سیستمهای تولید مولکولی امکان پذیر است چرا که این مدلها قوانین فیزیک کنونی را نقض نمیکند. امروزه، دانشمندان وسایل و تکنیکهای زیادی را که برای تبدیل نانوفناوری از مدلهای رایانهای به واقعیت لازم است، اختراع و تدبیر می کنند.
۱-۵ پیشگامان نانوفناوری
در سال ۱۹۵۹، ریچارد فاینمن[۱۷] در سخنرانی معروف خود اظهار داشت: «اصول فیزیک، تا آنجاییکه من توانایی فهمش را دارم، امکان ساختن اتم به اتم مواد را نفی نمیکند.» او همچنین عنوان کرد: «اگر دانشمندان فرا گرفتهاند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازهها را با مقیاس کوچک بسازند، پس خواهیم توانست آنها را کوچکتر و کوچکتر کنیم.» در واقع آنها به مرزهای حقیقی خود در لبههای نامعلوم کوانتوم نزدیک خواهند شد و فقط هنگامی این کوچک شدن متوقف می شود که خود اتمها تا حد زیادی ناپایدار و غیرقابل فهم شوند. فاینمن طراحی دقیق مولکولها را امکان پذیر دانست. او پیش بینی کرد یک اتم در مقابل اتمی دیگر می تواند به گونه ای قرار گیرد که کوچکترین محصول مصنوعی را ایجاد کند. فاینمن در ذهن خود یک «دکتر مولکولی» تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد کوچکتر است و می تواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن به اعمال ترمیمی و یا به طور کلی نگهداری بدن بپردازد.
ماروین مینسکی[۱۸] یابندهی هوشهای مصنوعی، در دهه ۱۹۷۰-۱۹۶۰ جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده میشد، رهبری کرد. اریک درکسلر[۱۹] دانشجوی مینسکی در اوایل دهه ۸۰، درجه استادی خود در رشته علوم دریافت کرده و با تشکیل یک انجمن دانشجویی، فعالیتهایی را تحت عنوان نانوفناوری انجام داد. درکسلر نخستین مقاله خود را در مورد نانوفناوری مولکولی در سال ۱۹۸۱ ارائه داد. وی همچنین در سال ۱۹۸۶ کتابی[۲۰] را در زمینه نانوفناوری منتشر کرد. درکسلر تنها کسی است که برای نخستین بار درجه دکتری خود را در نانوفناوری در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه دریافت داشت. او یک پیشرو در فعالیتهای انجام شده در نانوفناوری است و هماکنون رئیس انستیتو فورسایت[۲۱] و ریسرچفلو[۲۲] است.
۱-۶ خواص نانومواد
با گذر از مقیاس میکرو به نانو، با تغییر برخی خواص فیزیکی و شیمیایی روبهرو میشویم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتمی[۱۳]. افزایش نسبت سطح به حجم که بتدریج با کاهش اندازه ذره رخ میدهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتمهای واقع در سطح ذره به رفتار اتمهای درونی می شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد. افزایش سطح، واکنشپذیری نانومواد را به شدت افزایش میدهد زیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتمها یا مولکولهای موجود در توده نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به تجمع[۲۳] یا کلوخهای شدن دارند. به عنوان مثال، در مورد نانوذرات فلزی، به محض قرارگیری در هوا، به سرعت اکسید میشوند. در بعضی مواقع برای حفظ خواص مطلوب نانومواد، جهت پیشگری از واکنش بیشتر، یک پایدار کننده را بایستی به آنها اضافه کرد که آنها را قادر میسازد تا در برابر سایش، فرسودگی و خوردگی مقاوم باشند.
البته این خاصیت مزایایی هم دربردارد، ازجمله عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزورها و ساختارهایی همچون الکترودها میباشد. به عنوان مثال با بهره گرفتن از این خاصیت میتوان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید و یا در تولید نانوکامپوزیتها با بهره گرفتن از این مواد، پیوندهای شیمیایی مستحکمتری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام آن بهشدت افزایش مییابد.
۱-۷ روشهای تولید نانوذرات
با توجه به گستردگی نانوذرات و نیز گستردگی موارد کاربرد آنها، از روشهای مختلفی برای تولید این ذرات استفاده می شود که انتخاب روش بستگی به نوع ماده و کاربرد آن دارد. در تولید نانوذرات از دو روش اصلی و اساس میتوان استفاده کرد:
۱-روشهای فیزیکی
۲-روشهای شیمیایی
هرکدام از این روشها به خودی خود دارای راهکارهای جزئیتر میباشند و همچنین روشهایی بین این دو مطرح میباشد که به روشهای مکانیکی – شیمیایی موسوماند. در روش فیزیکی که اصطلاحاً آن را روش « از بالا به پایین » مینامند، قطعات بزرگ مواد با بهره گرفتن از ابزار و ادوات فیزیکی به ذرات بسیار ریز در مقیاس نانومتر تبدیل میشوند. در این روش عمدتاً ابزارهای بسیار دقیق و در عین حال گران قیمت فیزیکی مورد نیاز میباشد که به راحتی هم در دسترس قرار نمیگیرد.
در روش شیمیایی که مبتنی بر هستهزایی و رشد میباشد و اصطلاحاً آن را روش « از پایین به بالا» مینامند، با بهره گرفتن از واکنشهای شیمیایی، تولید ذرات امکان پذیر میگردد که در مقایسه با روش فیزیکی بسیار ارزانتر و در دسترستر است. مزیت این روشها ارزان بودن، در دسترس بودن و ساده بودن آزمایشها برای تولید نانوذرات میباشد. بخش عظیمی از تحقیقات نانوذرات در دنیا با بهره گرفتن از همین روشها انجام میپذیرد.
۱-۸ مقدمهای بر نیمرساناها
رسانایی الکتریکی به مفهوم اندازه گیری قابلیت هدایت جریان الکتریکی در یک ماده میباشد. به موادی که قابلیت انتقال جریان الکتریسیته را دارند رسانا و موادی که این قابلیت را ندارند نارسانا گفته می شود. مواد نیمرسانا موادی هستند که مقاومت ویژه آنها در دمای اتاق بین مواد رسانا و نارسانا است. ساختار نواری یک جسم نیمرسانا در شکل ۱-۱ نشان داده شده است. در واقع یک عایق با گاف انرژی کوچک بین نوار ظرفیت و نوار رسانش، یک نیمرسانا خوانده می شود[۱۴]. خواص الکتریکی مواد نیمرسانا با تغییر اندازه، برانگیختگی نوری و میزان ناخالصی به نحو محسوسی دستخوش تغییر می شود. این ویژگی نیمرساناها این دسته از مواد را به عنوان گزینهای مطلوب برای مطالعه و تحقیق در زمینه قطعات الکترونیکی و اپتوالکترونیکی[۲۴] مطرح کرده است.
شکل ۱-۱ نمایش ساختار نواری برای الف) رسانا، ب) نیمرسانا، ج)عایق.
در دماهای پایین، نوار ظرفیت نیمهرسانا کاملأ پر از الکترون و نوار رسانش کاملاً خالی است. نه نوار ظرفیت در رسانندگی نقش دارد (چون نوار کاملاً پر است و هیچ الکترونی امکان گذار درون نوار را ندارد) و نه نوار رسانش (چون کاملاً خالی از الکترون است). بنابراین در دماهای پایین، نیمرسانا مشابه نارسانا رفتار می کند. با افزایش دما، تعدادی از الکترونهای نوار ظرفیت به نوار رسانش انتقال مییابد. بنابراین تعدادی تراز خالی در نوار ظرفیت ایجاد می شود و امکان گذار برای الکترونهای نوار ظرفیت (در همان نوار) فراهم می شود. با گذار الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش تعدادی جای خالی الکترون در نوار ظرفیت ایجاد می شود، جای خالی الکترون را حفره میگوییم. بدین ترتیب هم الکترونهایی که در نوار رسانش قرار میگیرند موجب رسانایی الکتریکی میشوند و هم حفرهها و الکترونهای نوار ظرفیت، اکنون نیمرسانا مانند یک رسانا عمل می کند.
نیمرسانایی را که ناخالصی نداشته باشد نیمرسانای ذاتی میگوییم. در نیمرسانای ذاتی، تعداد الکترونهای موجود در نوار رسانش با تعداد حفرههای موجود در نوار ظرفیت برابرند. با اضافه کردن مقادیر کمی ناخالصی به ماده نیمرسانا، میتوان تعداد حاملهای بار الکتریکی را افزایش داد. منظور از ناخالصی، اتمهای غیر همجنس با اتمهای نیمرساناست. نیمرسانایی را که به آن اتمهای ناخالصی اضافه شده است، نیم رسانای غیرذاتی مینامند. امروزه پیشرفت تکنولوژی به دانشمندان این امکان را داده است که بتوانند با اعمال محدودیتهای کوانتمی بر نیمرساناها، نانوساختارهای کوانتمی بسازند. کاهش ابعاد در لایه های نیمرسانا، منجر به تغییرات بسیاری در خواص ذرات محدود شده در ساختار کوانتمی خواهد شد.
۱-۹ طبقه بندی نانوساختارها
یک نانوساختار، جامدی است که حداقل دارای یک بعد نانومتری باشد. به منظور طبقه بندی نانوساختارها، میتوان از ابعاد هندسی آنها بهره گرفت. به طور کلی نانوساختارها به سه دسته طبقه بندی میشوند:
۱-نانوساختار صفر بعدی
۲- نانوساختار یک بعدی
۳- نانوساختار دو بعدی
نانومواد دو بعدی، ساختارهایی هستند که الکترون محبوس در آنها دارای ۲ درجه آزادی هستند و فقط یک بعد از این مواد اندازهاش در حد نانومتر میباشد، این نمونه از ساختارها را چاههای کوانتمی مینامند. چاه کوانتمی یک لایه نیمرسانای بسیار نازک با گاف انرژی مشخص بوده که بین دو نیمرسانای دیگر با گاف انرژی بزرگتر قرار دارد به طوریکه در آن حرکت حاملهای بار در یک راستا محدود و در دو راستای دیگر، هیچ محدودیتی بر حرکت حاملها وارد نمی شود[۱۵].
شکل ۱-۲ ساختار یک چاه کوانتمی نیمرسانا
نانومواد یک بعدی دارای یک درجه آزادی برای ذرات درونشان میباشند، در دو بعد محدود به چند نانومتر هستند و رشد آنها در بعد سوم می تواند از مرتبه میکرومتر باشد. سیمهای کوانتمی نانوساختارهای یک بعدی هستند که در این ساختارها حرکت حاملها در دو راستا محدود شده و تنها در راستای محور سیم به‌طور آزادانه صورت میگیرد. تاکنون سیمهای کوانتمی با سطح مقطعهای مختلف ساخته شده و با موفقیت در لیزرهای سیم کوانتمی به کار رفتهاند[۱۶].
شکل ۱-۳: ساختار یک سیم کوانتمی نیمرسانا
موضوعات: بدون موضوع
لینک ثابت
