نانولوله های کربنی تک جداره یاقوت سافیرین

نانولوله های کربنی تک جداره یاقوت سافیرین – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

نانولوله های کربنی تک جداره یاقوت سافیرین

سنتز و کاربردهای نانولوله های کربنی تک جداره همراستا بر روی یاقوت / سافیرین

نانولوله های کربنی تک جداره (SWNT) توجه زیادی را به عنوان سیستم های مدل در مبحث علوم نانو و نانوتکنولوژی معطوف خود ساخته اند. کاربردهای زیادی در این زمینه پیشنهاد و ارائه شده که این کاربردها شامل ترانزیستورهای با عملکرد بالای SWNT و همچنین حسگرهای مرتبط می باشند. جهت حرکت از ابزاره های گسسته به سمت سیستم ها و مدارهای مجتمع و مقیاس پذیر، بهره گیری از سنتز کامل نانولوله های کربنی در حوزه های بزرگ قابل توجه خواهد بود.  چنین امری می تواند به ما کمک نماید تا قابلیت ساخت و مجتمع سازی ابزاره های نانولوله ای، به روشی مشابه با رویکرد استاندارد سیلیکون بر عایق (SOI) که در آن ماده فعال  به طور  کلی بر  روی  عایق  اصلی  قرار می گیرد، با توان ساخت بالا- به پایین و بهره گیری از الگوسازی و حکاکی (اچ کردن)، را داشته باشیم. در این مبحث ما یک اکتشاف قابل توجه را ارائه می نمائیم که در ارتباط با رشد و عملکرد کلی همراه با همراستایی بالا و قرارگیری منظم آرایه های نانولوله کربنی بر روی زیرلایه های یک صفحه سافیرین / یاقوت برای اولین بار است.

شکل ۱٫ رشد همراستای نانولوله های کربنی تک جداره. (الف) بزرگ نمایی اندک تصویر SEM مرتبط با رشدSWNT ها بر روی زیر لایه سافیرین (۱۱۲۰). آرایه سفید نشان دهنده مسیر جریان گاز می باشد. تصویر الحاقی نشان دهنده بزرگنمایی بیشتر تصویر SEM در ارتباط با  SWNT ها  است. (ب) تصویر AFM مرتبط با SWNT های همراستا می باشد. تصویر الحاقی به عنوان هیستوگرام توزیع قطرهای SWNTبه شمار می آید (ج) تصویر SEM لایه دوم رشد SWNT ها بر روی نمونه نشان داده شده (الف) است. پیکان سفید رنگ نشان دهنده مسیر جریان گاز می باشد. (د) معرف دیاگرام شماتیک SWNTها بر روی زیرلایه سافیرین (۱۱۲۰) قطع شده به وسیله اتم اکسیژن می باشد. توپ های قرمز نشان دهنده اتم های اکسیژن بوده و توپ های آبی معرف اتم های آلومینیوم می باشند. سطح ارغوانی رنگ معرف جهت گیری یک سطح با مسیر [۰۰۰۱] به صورت عمود بر محور نانولوله است.

رشد نانو لوله کربنی شامل تعامل بین نانولوله ها و سطوح زیرلایه می باشد. این تعامل آنقدر قوی است که می تواند بر روی رشد نانولوله کربنی نظیر طول و موقعیت تاثیرگذار باشد. بدینسان، این امر امکان پذیر خواهد بود که مسیر رشد نانولوله های کربنی را بتوان با استفاده از مورفولوژی های خاص اتم ها و سطوح زیرلایه مشخص / هدایت نمود. برای این رویکرد ما، SWNT ها بر روی یک بلور واحد (۱۱۲۰) زیر لایه های  ( ۰ ۲ ۱۱ ) Al₂O₃  رشد داده شدند. کلاسترهای فریتین (Ferritin) نیز به صورت تک پرانشی بر روی زیرلایه های Al₂O₃ به عنوان کاتالیزور قرار داده شدند. رشد CVD مرتبط با SWNT ها نیز در دمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد اعمال شد. جریان گاز C₂H₄، CH₄ و H₂ در ۱۰ sccm، ۲۰۰۰ و ۸۰۰ sccm به ترتیب کنترل شده و پس از رشد ۱۰ دقیقه ای نمونه ها به تدریج خنک گردیده و با استفاده از میکروسکوپ الکترون پویشی (SEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) تصویر برداری شدند.

SWNT ها به صورت یکنواخت در کل مساحت سطح رشد داده شده و جهت گیری های آنها نیز در تطابق با مسیر بلورین خاص زیرلایه، صرفنظر از مسیر جریان گاز همان گونه که در شکل ۱ الف نشان داده شده است، مشخص شد. آزمایشات کنترل نشان دادند که SWNT ها به صورت معمولی همتراز / همراستا با مسیر [۰۰۰۱] بر روی یک سطح زیر لایه سافیرین می باشند. چنین موردی در تعارض زیادی با رشد دارای جهتگیری تصادفی SWNT ها بر روی زیرلایه هایSi/SiO₂ می باشد. اینSWNT ها به طور معمول دارای درازای ده ها میکرومتری می باشند. فاصله گذاری بین لوله ای، همان گونه که در بخش الحاقی شکل ۱ الف نشان داده شده است، غالبا در حدود ۲۰۰ نانومتر است و بالاترین چگالی به دست آمده به میزان ۴۰ SWNT/µm مشخص شد. قطرهای نانولوله کربنی به وسیله AFM برآورد گردید (شکل ۱ ب). نتیجه نشان دهنده آن است که قطرهای در حال رشد SWNT دارای توزیع باریکی می باشند، همانند قطر میانگین ۱٫۳۴ ± ۰٫۳۰ nm (شکل ۱ ب، بخش الحاقی).

نانولوله های کربنی تک جداره یاقوت سافیرین

شرایط رشد یکسانی جهت رشد SWNT ها بر روی جهت های مختلف لایه های کریستال واحد Al₂O₃ به کار گرفته شد. ما دریافتیم که تنها بر روی زیر بستر جهت دار Al₂O₃  (۰۲ ۱ ۱)، قابلیت حصول رشد SWNT با همراستایی مشابه وجود داشته است. این نتایج موکد آن می باشند که تعامل سطح بین صفحه – a یا صفحه –r زیر بستر سافیرین و نیروهای SWNT ها سبب می شوند تا نانولوله ها تنها در مسیرهای خاصی رشد نمایند. به علاوه، به هنگامی که لایه ثانویه SWNT برفراز لایه اولی از طریق اعمال یک دور ثانویه سنتز CVD  رشد نماید، مسیر رشد در امتداد مسیر جریان گاز بوده و SWNT ها ممکن است به درازای چندین صد میکرومتر الی میلیمتر باشند (شکل ۱ج). این مشاهده، به عنوان یک مورد اثباتی جانبی، این فرض را مشخص می سازد که تعامل زیر بستر- نانولوله نقش مهمی را در همراستاییSWNT ها بازی می نماید چرا که اولین لایه نانولوله ها قابلیت پشتیبانی و کمک در مبحث تعامل بین لایه دوم و زیرلایه های مرتبط را خواهد داشت.

شکل ۱د  نشان دهنده دیاگرام شماتیک یک  SWNT  بر روی یک زیرلایه سافیرین سطح – a   می باشد که به وسیله اتم های اکسیژن قطع شده است. زنجیرهای اکسیژن، که به صورت عمود بر مسیر [۰۰۰۱] می باشند، همان گونه که در این شکل نشان داده شده است، ممکن است به صورت قابل توجهی در تعامل با SWNT ها بوده و نانولوله ها را به گونه ای هدایت نمایند تا قابلیت رشد در امتداد مسیرهایی را داشته باشند که از حداقل ترین انرژی پتانسیل برخوردار هستند. این نیروی قدرتمند همچنین سبب می شود تا SWNT ها نزدیک به سطح سافیرین باقی مانند، به گونه ای که رشد نانولوله غالبا تحت تاثیر این تعامل خواهد بود. در نتیجه، SWNT های لایه اول که بر روی زیرلایه های سافیرین رشد یافته اند دنبال کننده مسیر رشد مطلوب بوده و آنها بسیار کوچکتر از SWNT های لایه دوم خواهند بود.

به طور خلاصه، ما نشان می دهیم که SWNT ها را می توان به صورت همراستا با سطح = a یا سطح – r بر روی زیرلایه های بلور واحد Al₂O₃.، با چگالی بسیار بالا و توزیع قطر باریک در خلال یک ناحیه بزرگ، رشد داد. سنتز آرایه های متراکم SWNT  ها که از آرایش خوبی برخوردار بوده و همچنین به صورت یکنواخت نیز فاصله گذاری شده اند سبب خواهد شد تا راه به سمت مونتاژ مقیاس بزرگی از ابزاره های نانولوله – بر- عایق (NOI) و مدارهای مرتبط با آن، در قیاس با سیلیکون- بر- عایق (SOI) گشوده شود، راهکاری که به وسیله صنعت نیمه رسانا مورد پذیرش قرار گرفته است. پس از فرآوری پس- رشد، این نمونه های NOI قابلیت فراهم آوردن زیرلایه های آماده مجتمع را خواهد داشت. با استفاده از فناوری های ساخت متعارف، ابزاره های SWNT مجتمع دارای چگالی بالا را می توان در ناحیه بزرگی به کار گرفت و آنها را با دیگر سیستم های شیمیایی و بیولوژیکی ترکیب نمود. 

نانولوله های کربنی تک جداره یاقوت سافیرین