چرا در مقیاس نانو ، اثرات کوانتومی پررنگ می شود؟

[vc_row][vc_column][vc_column_text]

پس از بررسی نسبت سطح به حجم و بررسی نقش اتم های سطحی در خواص نانوذرات ، به بررسی اثرات کوانتومی در مقیاس نانو میپردازیم .

واژه کوانتوم به معنای گسسته است . در علم فیزیک کمیت ها به دو دسته گسسته (کوانتومی) و پیوسته تقسیم می شوند . کمیت های پیوسته مانند طول ، جرم ، سرعت و … هر مقدار عددی را می توانند داشته باشند ولی کمیت های کوانتومی فقط می توانند مقادیر خاصی را داشته باشند . برای مثال بار اتم که مضربی از بار الکترون است را می توان کمیتی کوانتومی نامید .

نظریه نواری

الکترون هایی که در اتم ها وجود دارند ، اجازه بودن در مکان های خاصی را دارند . به این مکان های خاص تراز های انرژی گفته می شود که هر تراز انرژی نشان دهنده حضور یک الکترون دراتم است . فاصله بین این تراز ها خالی است و الکترونی در آنجا نیست . این فاصله ، در اتم های مختلف متفاوت است . در همه اتم ها در ترازهای بالاتر این فاصله خالی از الکترون بین تراز ها ، کمتر می شود . هنگامی که اتم ها کنار یکدیگر قرار می گیرند و یک ذره (جامد) را تشکیل می دهند ترازهای انرژی این اتم ها نیز در کنار یکدیگر قرار میگیرند . هرچه تعداد اتم ها بیشتر باشد ، تعداد ترازهای بیشتری در کنار هم قرار می گیرند . وقتی تعداد اتم ها از حدی بیشتر شد ، مناطقی به وجود می آید که تراکم تراز ها در آن مناطق بسیار زیاد است و به شکل نوار پیوسته در می آیند ، در این نظریه به این مناطق نوارانرژی (Energy band) گفته می شود . همچنین مناطقی وجود دارند که در آن ها هیچ ترازی دیده نمی شود ، به آن مناطق منطقه ممنوعه یا گاف انرژی (Band gap) گفته می شود . در شکل زیر تراز ها و نوار انرژی و گاف انرژی را مشاهده می کنید .

تا زمانی که تمام الکترون ها در تراز انرژی خود هستند و تمام ترازهای انرژی ، به ترتیب از انرژی پایین به انرژی بالا پر شده اند ، اتم در حالت پایه (Steady state ) است . ولی یک الکترون می تواند با گرفتن انرژی به ترازانرژی بالاتر از خود برود و اتم به حالت برانگیخته (excited state) تغییر کند . این انرژی باید به مقداری باشد که الکترون بتواند منطقه خالی از تراز (گاف انرژی) پیش روی خود را پشت سر بگذارد . یعنی اگر الکترونی بخواهد از نوار پایینی تصویر بالا به نوار بالاتر از خودش انتقال پیدا کند باید به مقداری که با نوار بالایی فاصله دارد (گاف انرژی) انرژی دریافت کند .

نظریه نواری توجیهی است برای رسانا ، نارسانا یا نیمه رسانا بودن یک ماده .

در نظریه نواری به بالاترین نوار انرژی که پر از الکترون است ، نوار ظرفیت گفته می شود . هم چنین پایین ترین نوار خالی (نوار بالاتر از نوار ظرفیت) ، نوار رسانش یا نوار هدایت نام دارد . رسانا ، نارسانا یا نیمه رسانا بودن یک ماده با بررسی این دو نوار توجیه می شود .

مواد نارسانا

در مواد نارسانا ، فاصله (گاف انرژی) بین نوار ظرفیت و نوار رسانش بسیار بزرگ است . به این دلیل الکترون ها نمی توانند از نوار ظرفیت به نوار رسانش منتقل شوند و با حرکت خود موجب رسانایی ماده شوند .

مواد نیمه رسانا

در مواد نیمه رسانا ، در حالت عادی تمام الکترون ها در نوار ظرفیت هستند و نوار رسانش خالی است . پس رسانایی مشاهده نمی شود . اما گاف انرژی بین نوار ظرفیت و نوار رسانش در این مواد کوچکتر از مواد نارساناست. پس الکترون های نوار ظرفیت در این مواد می توانند با دریافت انرژی این گاف انرژی کوچک را پشت سر بگذارند و به نوار رسانش برسند و باعث رسانایی ماده شوند . مثلا این انرژی می تواند با افزایش دمای ماده فراهم شود و ماده خاصیت رسانایی پیدا کند . پس در نتیجه رسانایی در این مواد فقط در شرایطی است که انرژی مورد نیاز برای غلبه بر گاف انرژی پیش روی الکترون های نوار ظرفیت تامین شود .

مواد رسانا

در مواد رسانا ، نوار ظرفیت و نوار رسانش هم پوشانی کرده اند ، در واقع گاف انرژی بین آن ها از بین رفته است . پس الکترون ها می توانند آزادانه حرکت کنند و به کمک اختلاف پتانسیلی که به دو سر رسانا وارد می شود ، ترازهای انرژی خود را تغییر دهند و باعث رسانایی ماده شوند.

اثرات کوانتومی در مقیاس نانو

با کاهش اندازه یک ذره تا مقیاس نانو، اتم های زیادی ذره را ترک می کنند و در نتیجه تراز های انرژی این اتم ها هم از ذره جدا می شود . در مقیاس نانو ، ذره از اتم های کمی تشکیل شده است و نسبت به مقیاسهای بزرگتر طبیعتا تعداد ترازهای بسیار کمتری در ذره وجود دارد . در این مقیاس به دلیل کم بودن تعداد تراز ها ، نوارهای انرژی گسسته می شود و تبدیل به تراز انرژی می شود . در این حالت الکترون بسیار محدود تر می شود و فقط مجاز به جابجایی در این ترازهای محدود است . در شکل زیر گسستگی ترازهای انرژی با کاهش اندازه ، مشهود است .

بعضی از تغییر خواص در مقیاس نانو با گسستگی ترازهای انرژی در این مقیاس قابل توجیه است ، مثل تغییر رنگ یا برای مثال با افزایش گاف انرژی در این مقیاس ، قدرت جذب امواج الکترو مغناطیس توسط نانوذرات افزایش می یابد .

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column width=”1/3″][/vc_column][vc_column width=”1/3″][tlg_button title=”از ما حمایت کنید .” btn_link=”url:https%3A%2F%2Fidpay.ir%2Fshimidoon|||” btn_size=”btn-block” layout=”btn btn-filled btn-light btn-rounded” hover=”hvr-pop” icon=”ti-money” button_icon_hover=”yes” css_animation=”fadeIn” customize_button=”yes” btn_custom_layout=”btn btn-rounded” btn_color=”#ffffff” btn_bg_gradient=”#870501″ btn_bg_gradient_hover=”#eded00″ btn_bg_hover=”#d80700″ btn_border_hover=”#43c100″ btn_bg=”#1e0000″][/vc_column][vc_column width=”1/3″][/vc_column][/vc_row]