شکل (۲-۱) اساس کار میکروسکوپ الکترونی عبوری
۲-۳-۲- میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)
در میکروسکوپ الکترونی روبشی که اجزای اصلی آن را در شکل (۲-۲) می­بینید نیز مانند TEM یک پرتوی الکترونی به نمونه می­تابد. منبع الکترونی یک کاتد فیلامان یا تفنگ الکترونی (معمولاً از نوع انتشار ترمویونیکی فیلامان یا رشته تنگستنی) است. معمولاً الکترون­ها بین Kev30-1 شتاب داده می شوند، سپس دو یا سه عدسی متمرکز کننده پرتو الکترونی را کوچک می­ کنند، بطوری­که در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً ۲ تا ۱۰ نانومتر است.
وقتی پرتوی الکترونی اولیه با نمونه برهم­کنش می­ کند، الکترون­ها با پراکندگی پی­در­پی انرژی از دست داده و جذب حجم کوچکی از سطح، که به حجم برهم­کنش معروف بوده و کمتر از nm100 تا µm5 از سطح را شامل است، می­شوند. اندازه­ حجم برهم­کنش به انرژی فرودی الکترون­ها، عدد اتمی نمونه و چگالی آن بستگی دارد.
پرتو پس از برخورد با جسم از بین جفت سیم­پیچ­ها یا جفت صفحه­های منحرف کننده­ ستون الکترون عبور می­ کند، که در لنزهای آخر پرتو در جهات x و y منحرف می­ شود. پس یک سطح مستطیلی از سطح نمونه­ اسکن شده نمایش داده می­ شود. تقویت­کننده­ های الکترونی برای تقویت سیگنال­هایی که بعنوان تغییرات در درخشنگی لامپ پرتوی کاتدی نمایش داده می­ شود، استفاده می­شوند. تصویر نهایی، طرح توزیع شدت سیگنال گسیل شده از سطح اسکن شده نمونه است که توسط کامپیوتر نمایش داده می­ شود.

( 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. )

۲-۳-۲-۱- بزرگ­نمایی
بزرگ­نمایی در یک SEM می ­تواند از ۱۰ تا ۵۰۰۰۰۰ مرتبه کنترل شود و می ­تواند وابسته به جریان بکار رفته در سیم­پیچ­های x و y یا ولتاژ بکار رفته­ی صفحات منحرف کننده­ x و y باشد.
۲-۳-۲-۲- آماده ­سازی نمونه
نمونه­ها باید اندازه­ مناسب با محفظه­ی نمونه داشته و خیلی محکم روی یک نگهدارنده سوار شده باشند. چندین مدل از SEM­ها می­توانند قرص­های ۶ اینچی (cm5) از نیمه­هادی­ها را بررسی کنند و بعضی می­توانند یک نمونه را تا ۴۵^۰ خم کنند. برای تصویرگری مرسوم در SEM نمونه­ها باید از لحاظ الکتریکی رسانا باشند (حداقل سطح­شان). مواد نارسانا وقتی با پرتوی الکترونی پویش می­شوند، متمایل به باردار شدن بوده و این سبب خطا در کاوش و ایجاد تصاویر مصنوعی می­ شود. پس با یک لایه­نشانی نازک از مواد رسانا (عموماً طلا) با روش­هایی مانند انباشت^[۱۴] یا کند و پاش^[۱۵] خلا روی مواد می­توان نمونه را آماده­ی تصویرگری نمود. این کار مانع از انباشت بار الکتریکی ساکن روی نمونه در طول تابش الکترون می­ شود. یکی از دلایل لایه­نشانی حتی وقتی ­که رسانایی نمونه برای ممانعت از انباشت بار کافیست، افزایش قدرت تفکیک تصویر سیگنال­ها، بخصوص برای نمونه­هایی که دارای عدداتمی (Z) کوچکی هستند، می­باشد.
شکل (۲-۲) نمایی کلی از اجزای اصلی میکروسکوپ الکترونی روبشی
۲-۳-۳- میکروسکوپ روبشی تونل زنی(STM)
میکروسکوپ روبشی تونل­زنی دستگاهی است که برای بررسی ساختار و برخی از خواص سطوح مواد رسانا و مواد بیولوژیکی که تا حدی رسانا هستند و همچنین لایه های نازک نارسانا که روی زیر لایه­ی رسانا در حد ابعاد نانومتری لایه­نشانی شده ­اند، بکار می­رود. مبنای اندازه ­گیری هندسه و خواص سطحی در این دستگاه بر این واقعیت استوار است که هرگاه فاصله­ی یک سوزن تیز رسانا از یک سطح رسانا حدود چند آنگستروم باشد (متصل نشود) و اختلاف ولتاژی به بزرگی حدود چند ده میلی ولت به آن اعمال شود، جریان الکتریکی حدود چند نانوآمپر بین سوزن و سطح برقرار می شود. به این پدیده در اصطلاح جریان تونل­زنی گفته می­ شود، که پدیده­ا­ی مکانیک کوانتمی می­باشد. مقدار جریان الکتریکی تابعی از فاصله سوزن از سطح، شکل و جنس سوزن، هندسه و جنس سطح و اختلاف ولتاژ سوزن و سطح می­باشد. در دستگاه STM این سوزن تیز رسانا به بازوهای پیزوالکتریکی متصل است، که به وسیله­ آنها سوزن به هر نقطه دلخواه از سطح با فاصله­ی دلخواه از آن نقطه منتقل شده و امکان بررسی خواص آن نقطه از سطح فراهم می­ شود. برای تعیین خواص نقاط مختلف سطح از STM به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم استفاده می­ شود. در واقع در تعیین خواصی که مستقیماً از روی تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن از سطح و اختلاف ولتاژ اعمال شده استنتاج می­شوند، از STM به صورت مستقیم استفاده شده است. خواصی از سطح که به طور مستقیم توسط STM تعیین می­شوند عبارتند از توپوگرافی هندسی سطح، تابع کار نقاط مختلف سطح، چگالی حالات انرژی نقاط مختلف سطح، ترازهای ارتعاشی نقاط مختلف سطح، حوزه های مغناطیسی سطوح و مغناطش آنها.
در دسته­ی دیگر روش­های تعیین خواص سطحی، از جریان تونلی برای تحریک الکترونهای یک نقطه از سطح استفاده می­ شود. در این حالت به طور موقت برخی از خصوصیات آن نقطه از سطح تغییر می­ کند که باعث می­ شود این نقاط توسط روش­های دیگر اسپکتروسکوپی (مانند اسپکتروسکوپی رامان و لومینسانس) قابل شناسایی شوند.
اصول کلی کار STM به این صورت است که یک سوزن بسیار ظریف و نوک تیز رسانا به یک بازوی پیزوالکتریک متصل است. به منظور تنظیم مکان سوزن نسبت به سطح نمونه­ مورد بررسی، با اعمال اختلاف ولتاژهای مناسب به پیزوالکتریک­ها در سه راستای x، yوz، سوزن را به هر نقطه دلخواه از فضای سه بعدی، با دقت آنگستروم، می­توان منتقل کرد. برای تهیه نقشه­ی خصوصیات یک ناحیه از سطح، سوزن به بالای تک تک نقاط سطح منتقل شده که به این کار در اصطلاح “روبش سطحی” گفته می­ شود. در این حالت در یک ارتفاع معین، اختلاف ولتاژ خاصی بین سطح نمونه و سوزن رسانا اعمال شده و جریان الکتریکی تونلی اندازه ­گیری می­ شود. بررسی اندازه­ جریان، منتج به خصوصیات سطح و ارتفاع سوزن از سطح می­ شود. دو مد حالت برای عملکرد سیستم داریم، یکی مد جریان ثابت که اغلب در مواردی که جنس سطح در نقاط مختلف یکسان است استفاده می­ شود، در نتیجه جریان تونلی تنها تابعی از ارتفاع سوزن بوده و تغییرات ارتفاع ثبت خواهد شد. حالت دیگر مد ارتفاع ثابت می­باشد، که فرایند سریع­تری بوده و در اختلاف ولتاژ ثابت، ارتباط جریان تونلی بر حسب فاصله­ی سوزن از سطح، مطابق رابطه­ I_T ~ exp (-2kz) می­باشد، که z فاصله­ی سوزن از سطح و k بسته به جنس سطح و جنس و شکل سوزن مقدار ثابتی می­باشد. در نتیجه از روی این رابطه فاصله سوزن از سطح بدست می ­آید، که به معنی معلوم شدن توپوگرافی هندسه­ی سطح می باشد.
۲-۳-۴- تولید و خواص اشعه­ی ایکس
در این بخش در مرحله­ اول تولید و خواص اشعه­ی ایکس و در مرحله­ بعد دستگاه XRD توضیح داده می­ شود. اشعه­ی X در سه فرایند نشر، جذب و تفرق به ما اطلاعاتی در مورد شناسایی مواد می­دهد. سیستم اشعه­ی X طول موجی در حدود ۰۱/۰تا ^۰A100 دارد. معمولاً در تحقیقات همراه با آنالیز، از اشعه­ی X با طول موج کم و انرژی بالا استفاده می­ شود.
مکانیسم تولید اشعه­ی ایکس به این صورت است که وقتی الکترون­های پر سرعت به آند برخورد می­ کنند، وارد فضای الکترونی مواد می­شوند. بین الکترون­های داخل ماده و الکترونی که از خارج آمده میدان­های الکتریکی برقرار می­ شود و الکترون­ها با یکدیگر برهم کنش­هایی صورت می­ دهند. اگر انرژی اولیه­ الکترونی که از خارج وارد شده E₀ باشد و در اثر نیروهای میدان­های اطراف به E₁ تغییر پیدا کند، این میزان تغییر انرژی تبدیل به انرژی امواج الکترومغناطیس شده و یک فوتون اشعه­ی X تولید می­ کند. از آنجایی که الکترون­های ورودی انرژی­های مختلفی را از دست می­ دهند، می­توانند طول موج­های کاملاً متفاوتی را ایجاد می­ کنند، که به این اشعه­ی تولیدی، اشعه­ی X پیوسته یا سفید می­گویند. اگر اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند را افزایش دهیم، بر روی نمودار شدت اشعه­ی X تولیدی- طول موج اشعه­ی X تولیدی، یک سری پیک­ها ایجاد می­ شود. برای ایجاد این پدیده یک حداقل انرژی نیاز است که در کمتر از آن این پیک­ها ایجاد نخواهند شد. ابتدا شاخک­هایی بوجود می­آیند که طول موج بلندتری دارند. زیرا این شاخک­ها انرژی کمتری برای تولید نیاز دارند. با افزایش انرژی، طول موج این شاخک­ها تغییری نمی­کند و از یک حد انرژی به بعد تعداد آن­ها نیز ثابت می­ماند و تنها با افزایش انرژی و اختلاف پتانسیل، شاخک­ها بلندتر می­شوند. محل برخوردها به انرژی الکترون برخوردی ربطی ندارد. اگر آند تغییر کند، طول موج شاخک­ها تغییر می­ کند و به عبارتی این خطوط، آند را مشخص می­ کنند. این خطوط را خطوط ویژه­ی اشعه­ی X یا characteristic line گویند. وقتی هسته عوض می­ شود، سطوح انرژی تغییر کرده و پیک­ها تغییر می­ کند. وقتی انرژی به قدری کافی باشد که بتواند الکترون را از داخلی­ترین لایه، k، خارج کند، تمام خطوط ایجاد شده است. وقتی کلیه­ طول موج­هایی که توسط یک اتم ایجاد می­ شود را در نظر بگیریم، چیزی شبیه به اثر انگشت است که متعلق به هر اتم می­باشد و به آن خطوط ویژه می­گویند. از روی این خطوط و با بهره گرفتن از قانون موزلی که ارتباط بین طول موج و انرژی خطوط را با عدد اتمی عنصر تولید کننده ارائه می­دهد و در زیر آمده است، می­توان عناصر را شناسایی کرد.
(۲-۱)
در اینجا K و σ اعداد ثابتی بوده و به نوع خط و نه به نوع عنصر وابسته­اند. تقریباً همه مواد تا حدودی قادر به جذب اشعه­ی X می­باشند.
در بسیاری از تحقیقات نیاز داریم که اشعه­ی X تک طول موج باشد، که برای چنین حالتی دو راه حل وجود دارد:
استفاده از یک یا چند فیلتر که تنها مشکل آن پایین آمدن شدت همه خطوط می­باشد.
استفاده از کریستال و رابطه­ براگ و برخورد دادن اشعه­ی پیوسته­ی X با کریستال که طول موج­های مختلف را در زوایای خاص پراکنده خواهد کرد. در رابطه­ براگ که در زیر آمده است، d فاصله­ی بین صفحه­ای، θ زاویه­ی برخورد پرتوی x و λ طول موج آن می­باشد. مزیت استفاده از کریستال، عدم تغییر زیاد شدت می­باشد.
(۲-۲)
دستگاه XRD بر مبنای پراش یا همان تفرق اشعه­ی X کار می­ کند. برای این­ که پراش انجام شود چند شرط لازم است:
باید امواج متفرق شده توسط همه اتم­هایی که در یک صفحه­ی کریستالی هستند، هم­فاز باشند. پس سطح نمونه نباید خیلی پستی و بلندی داشته باشد و زاویه­ی برخورد به سطح نمونه و زاویه­ی تفرق باید برابر باشند.
امواج پراکنده شده از سطوح اتمی متوالی نیز باید هم­فاز باشند. بنابراین نمونه حتماً باید بلوری باشد.
صفحات اتمی در یک بلور برحسب نوع بلور با یکدیگر فاصله­ی مشخصی دارند. تا جایی که اگر اشعه نفوذ کند، اتم­ها شروع به پراش آن می­ کنند، ولی چون صفحات با یکدیگر فاصله دارند، در دامنه­ موج پراشیده شده از صفحات مختلف تغییر فاز بوجود می ­آید، که اگر این مقدار، مضرب صحیحی از طول موج اشعه باشد، تداخل سازنده بوده و اشعه­ی پراشیده توسط ماده تقویت می­ شود. به عبارت دیگر جایی تداخل سازنده داریم که رابطه­ براگ صدق کند.
در این سیستم اشعه به نمونه­ مجهول برخورد کرده و در زوایای مختلف متفرق می­ شود. آشکارساز با چرخش خود اشعه را در زوایای مختلف شناسایی می­ کند. تنها مجهول d یا همان فاصله­ی بین صفحات است که با تشخیص آن ثابت شبکه و به دنبال آن نوع ترکیب مجهول شناسایی می­ شود.
نمودار شدت اشعه­ی X بر حسب زاویه­ی ۲θ بوده و پیک­ها معمولاً تیز می­باشد. گاهی در نمودارها این پیک­ها بصورت پهن و گرد در آمده­اند. معمولاً وقتی ابعاد بلور به زیر ۱۰۰nm برسد، شاهد چنین حالتی هستیم.
در بررسی نمونه با دستگاه XRD اصولاً ابتدا نمودار شدت اشعه­ی x پراکنده شده از نمونه تهیه می­ شود و سپس با نمودارهای موجود در حافظه­ کامپیوتر متصل به دستگاه، که از مواد مختلف تهیه شده است، مقایسه می­ شود تا نوع ماده یا مواد موجود در بلور شناسایی گردد. این کار بصورت یک به یک و با رویهم انداختن نمودار مربوط به هر ماده انجام می­گیرد.
۲-۴- نانوسیم­ها
عموماً سیم به ساختاری گفته می شود که در یک جهت (جهت طولی) گسترش یافته و در دو جهت دیگر بسیار محدود شده باشد. یک خصوصیت اساسی از این ساختارها که دارای دو خروجی می باشند، رسانایی الکتریکی می­باشد. با اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو انتهای این ساختارها و در امتداد طولی­شان، انتقال بار الکتریکی اتفاق می­افتد. ساخت سیم­هایی در ابعاد نانومتری هم از جهت تکنولوژیکی و هم از جهت علمی بسیار مورد علاقه می­باشد، زیرا در ابعاد نانومتری خواص غیرمعمولی از خود بروز می­ دهند. نسبت طول به قطر یا همان کشیدگی نانوسیم­ها بسیار بالا می باشد.
نانوسیم­ها قطرهایی از مرتبه­ی nm100-10 داشته و نسبت طول به قطر آن­ها^[۱۶] ۱۰-۱۰۰ می­باشد.
۲-۴-۱- انواع نانوسیم­ها
نانوسیم­های فلزی: این نانوساختارها به دلیل خواص ویژه­ای که دارند، نویدبخش کارایی زیادی در قطعات الکترونیکی­اند.
توسعه الکترونیک و قدرت یافتن در این زمینه وابسته به پیشرفت مداوم در کوچک کردن اجزاء الکترونیکی می­باشد. با این حال قوانین مکانیک کوانتومی، محدودیت تکنیک­های ساخت و
افزایش هزینه­ های تولید، ما را درکوچک­تر کردن تکنولوژی­های مرسوم و متداول محدود خواهد کرد.
۱) نانوسیم­های فلزی بخاطر خصوصیات منحصر به فردشان که منجر به کاربردهای گوناگون­شان می­گردد، یکی از جذاب­ترین مواد می­باشند. نانوسیم­ها میتوانند در رایانه و سایر دستگاه­های محاسبه­گر کاربرد داشته باشند.
برای دست­یابی به قطعات الکترونیکی نانومقیاس پیچیده، به سیم­های نانومقیاس نیاز داریم. علاوه بر این، خود نانوسیم­ها هم می­توانند مبنای اجزای الکترونیکی همچون حافظه باشند.
۲) نانوسیم­های آلی: این نوع از نانوسیم­ها، همانطور که از نامشان پیداست، از ترکیبات آلی به دست می­آیند.
علاوه بر مواد فلزی و نیمه رسانا، ساخت نانوسیم ها از مواد آلی هم امکان­ پذیر است. ویژگی این سیم ها (نظیر رسانایی، مقاومت و هدایت گرمایی) به ساختار مونومر و طرز آرایش آن بستگی دارد.
۳) نانوسیم­های نیمه هادی: ساختار شیمیایی این ترکیبات باعث بوجود آمدن خواص جالب توجهی می­ شود.
آینده­ی نانوتکنولوژی به توانایی محققین در دستیابی به فنون سامان­دهی اجزای مولکولی و دستیابی به ساختارهای نانومتری بستگی دارد.
۴) نانوسیم­های سیلیکونی: این نوع از نانوسیم­ها سمی نبوده و به سلول­ها آسیبی نمی­رسانند. این نانوسیم­ها بیشترین کاربرد خود را در عرصه­ پزشکی مانند تشخیص سرطان، رشد سلول­های بنیادی و … نشان داده­اند.
۲-۴-۲- کاربرد نانوسیم­ها
کاربرد نانوسیم­ها را می­توان به انواع مختلفی از قبیل کاربردهای اپتیکی، الکترونیکی، الکتروشیمیایی، مغناطیسی و حسگری تقسیم نمود که در ادامه به این کاربردها می­پردازیم.
۲-۴-۲-۱- کاربردهای اپتیکی
نانوسیم­ها به دلیل خواص منحصر به فرد خود از جمله هندسه­ی ناهمسانگرد آن­ها، نسبت سطح به حجم بزرگ و محدودیت حامل­های بار و فوتون در دو بعد، پتانسیل بالایی برای استفاده در وسایل اپتیک و الکترونیک دارند.
به دلیل توانایی کنترل دقیق ساختار نانوسیم و در نتیجه گاف نواری برایند که با نانولوله­ها بدست نمی­آید، این ساختارها در اپتیک مورد توجه می­باشند. نانوسیم­های ساخته شده از نیمه­رساناهای با گاف نواری مستقیم، امید فراوانی برای جمع­آوری زیرطول­موج­ها در دستگاه­های نانوفوتونیک برای تولید نیرو، موجبری و آشکارسازی نور در مقیاس نانو بوجود آورده است . ابزار نانوفوتونیک از قبیل دیودهای گسیل نوری (LED) ، موجبرها، لیزرهای نانوسیمی، آشکارسازهای فوتونی و دیودهای فوتونی اثر بهمنی، همه بصورت موفقیت­آمیز مورد بحث قرار گرفته است. برانگیختگی لیزری با بهره گرفتن از پمپ اپتیکی در مجموعه­های نانوسیم رشد یافته ZnO نخستین بار توسط گروه پی­یانگ^[۱۷] در برکلی گزارش شده است پس از آن گزارش­های فراوانی از لیزر در نانوسیم­های منفرد از مواد مختلف شامل CdS، GaN و ZnS ارائه شده است.
یون­ها در فلزات ساختاری تناوبی داشته و الکترون­ها با برخودها و پراکندگی­های متعاقب با این ساختار، الگویی نواری می­یابند. فوتون­ها نیز در فرایندی مشابه با برخورد، عبور و پراکندگی از یک دی­الکتریک چنین ساختار نواری را ایجاد می­ کنند. در کل ساختار نواری به معنای وجود یک سری انرژی­های مجاز و غیر مجاز برای ذره می­باشد. از آن­جا که قالب آلومینای آندیک، ساختاری منظم و بلوری دارد، این خاصیت در آن قابل مشاهده است. از این­رو این قالب­ها و مواد مناسبی که آن­ها ­را پر می­ کنند، می­توانند کاربردهای اپتیکی متنوعی از جمله محدود کردن بازه­های فرکانسی عبوری و امکان ساخت آینه­های قوی در لیزرها را فراهم آورند.