نانو ساختارهای سه بعدی
علاوه بر آنچه در مطلب قبل با عنوان نانو مواد ۱ گفته شد ، مواد دیگری نیز وجود دارند که گر چه ماده بالک (منظور از بالک ماده توده‌ای، یعنی ابعاد میکرون و بزرگ‌تر است) و حتی قابل دیدن است ولی ساختارش به نوعی با نانو مرتبط است و این، تفاوت آن با مواد بالک غیرنانویی است. ما این مواد جدید را مواد نانوساختار بالک، یا مواد سه‌بعدی نانوساختار می‌نامیم. به طور مثال، در مواد مزومتخلخل ابعاد ماده غالباً خیلی بزرگ‌تر از نانوست ولی دارای تخلخل‌هایی در محدوده نانو است.
ذکر این نکته لازم است که حتی بعضی محققان نظرشان بر این است که فقط برای مواد سه بعدی نانوساختار نام “نانوساختار” استفاده شود و برای مواد 0 و 1 و 2 بعدی فقط کلمه نانومواد استفاده شود؛ چون در این موارد ساختار معنای خاصی ندارد و خود ماده ابعادش نانومتری است ولی به هر حال کلمه نانوساختار به طور گسترده برای همه نوع نانومواد استفاده می‌شود .
نانوکریستالین، مواد نانومتخلخل، و نانوکامپوزیت‌ها معرفی مثال هایی از نانو ساختارهای سه بعدی هستند ، همچنین نانوساختارهای دیگری همچون آرایه‌های روی سطح و ساختارهای منظم کریستالی هم جزو این دسته قرار دارند .
تصویر میکروسکوپ الکترونی یک نانوکامپوزیت ساخته شده از نانوذرات پراکنده شده در یک زمینه
تصویر میکروسکوپ الکترونی از یک ماده مزومتخلخل
چاه کوانتومی
اگر یک حجم یا توده‌ای از اتم‌ها و مولکول‌ها داشته باشیم که هیچ نوع محدودیتی نداشته باشند و الکترون‌ها بتوانند در جهت دلخواه حرکت کنند، به این حجم یک توده کوانتومی می‌گویند، انرژی این سیستم کاملا پیوسته است و هر مقداری می‌تواند باشد. مثلا تعداد زیادی اتم سیلیکون را در جهت خلاف فرآیند بالا حرکت دهیم. چاه کوانتومی از محدود کردن توده بالا در یک جهت به‌دست می‌آید. بدین‌معنی که ماده دارای سطوح مختلف انرژی است که هر سطح را به اسم نوار می‌شناسیم، مانند نوار ظرفیت و نوار رسانش. الکترون‌هایی که در نوار ظرفیت هستند، در واقع مقید به هسته بوده و نمی‌توانند به آسانی در اتم حرکت کنند و برای اینکه بتوانند از قید هسته رهایی پیدا کنند، باید به یک نوار رسانش بروند. بدین‌منظور باید انرژی لازم برای رفتن از نوار ظرفیت به نوار رسانش را داشته باشند. به فاصله بین این دو نوار گاف انرژی می‌گویند. در فلزات این گاف صفر است، در مواد عایق از مرتبه چند الکترون ولت و در مواد نیمه‌رسانا بین این دو انرژی است. در یک ماده رسانا الکترون‌ها به راحتی می‌توانند در هر جهتی حرکت کنند. حال اگر در یک راستا مثلا در چپ و راستِ این ماده، ماده‌ای دیگر قرار دهیم، سیستم تبدیل به یک چاه کوانتومی می‌شود. بدین‌معنی که سطح انرژی ماده اولیه پایین‌تر از ماده محدودکننده است و الکترون‌ها در ماده اولیه باید به یک سطح انرژی بالاتری برسند و این یعنی چاه کوانتومی، چاه کوانتومی از مهمترین مسائل در فیزیک کوانتومی است که کاربردهای فراوانی در نیمه رساناها دارد. توجه کنید که ما توده را در یک جهت محدود کردیم و در دو جهت دیگر الکترون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند.
در واقع میتوان گفت که اگر در لایه‌های نازک نیمه‌هادی ضخامت به حدی کم باشد که اثرات کوانتومی در آن‌ها غالب باشد به آن لایه نازک، چاه کوانتومی (Quantum-well) گفته می‌شود.
سیم کوانتومی
اما اگر چاه را در یک جهت دیگر مثل بالا و پایین محدود کنیم، به یک سیم می‌رسیم. سیمی که در یک جهت الکترون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند. سیم‌های معمولی هم همین‌گونه‌اند یعنی در یک جهت تا بی‌نهایت ادامه دارند و در دو جهت دیگر محدود هستند و به همین خاطر به این سیستم سیم کوانتومی می‌گویند.
یا به عبارتی اگر سطح مقطع نانوسیم‌های نیمه‌هادی، به‌قدری کوچک باشد که اثرات کوانتومی از خود نشان دهد، به آن سیم کوانتومی (quantum wires) گفته می‌شود. با اینکه سیم‌های کوانتومی کاربردهای کمتری نسبت به نقاط کوانتومی ( که در ادامه معرفی خواهند شد ) دارند، اما سنتز این سیم‌ها بسیار پیچیده بوده و نیاز به شرایط خاص دارد.
نقطه کوانتومی
اما نقطه کوانتومی چیست؟ نقطه از محدود کردن یک توده در هر سه جهت به دست می‌آید. مثلا یک سیلیسیم که در اطراف آن ژرمانیوم قرار داده‌ایم. نقطه کوانتومی به‌علت محدود بودن، دارای انرژی گسسته‌ای می‌باشد که به آن اتم مصنوعی می‌گویند.
یکی دیگر از نانومواد صفر بعدی معروف، کوانتوم‌دات‌ها یا نقاط کوانتومی (Quantum Dot; QD) هستند. نقاط کوانتومی، بلورهای نیمه‌هادی در ابعاد نانو (10-1 نانومتر) هستند که از 200 تا 10000 اتم تشکیل شده و اندازه آن‌ها با اندازه یک پروتئین درشت برابری می‌کند. از جمله متداول‌ترین نقاط کوانتومی میتوان به کادمیوم سلنید (CdSe) و سولفید کادمیوم (CdS) اشاره کرد. کاربردهای نوین و اصلی نقاط کوانتومی عبارتند از:
کاربردهای بیولوژیکی
سلول‌های خورشیدی
ابزارهای اپتوالکترونیک
کاربردهای فوتوکاتالیستی.
به‌طور کلی، خواص مختلف نقاط کوانتومی مانند خواص اپتیکی آن‌ها به‌شدت وابسته به اندازه آن‌ها است. به‌عنوان مثال، پژوهش‌ها نشان می‌دهند که مقدار انرژی لازم برای انتقال الکترون از لایه ظرفیت به لایه هدایت با اندازه نقاط کوانتومی تغییر کرده و این نقاط بسته به اندازه خود رنگ‌های مختلفی ساطع می‌کنند. نقاط کوانتومی بسیار حساس به روش و شرایط سنتز آن بوده و به همین دلیل سنتز آن‌ها بسیار با دقت و تحت شرایط کنترل شده انجام می‌گیرد .
در مطالب آینده توضیحات بیشتری درباره ساختار و خواص انواع نانو ساختارها میخوانید .
*مطلب فوق با بهره گیری از مطالب سایت ستاد توسعه فناوری نانو نوشته شده است .
از ما حمایت کنید .
فروشگاه
عضویت و ورود
مدرسه شیمی دون
Instagram
Telegram
M-icon-aparat
