ابزارها و تکنیک های جدید در مسیر تکاملی ثابت کوچک سازی اجزای الکترونیکی هستند. چند دهه پیش، اندازه اجزا در محدوده ده‌ها میکرومتر بود که بعداً در میکرومترهای تک رقمی و سپس به صدها نانومتر تبدیل شد. امروزه کوچکترین ابعادی که در ساخت به دست می آید در ده ها نانومتر متفاوت است [1].
نانوساخت فرآیند تولید مواد در مقیاس نانومتری (یعنی 1 تا 100 نانومتر) است. این به صورت مترادف با اصطلاح نسبتا قدیمی تر “microfabrication” استفاده می شود زیرا اصول راهنما یکسان باقی مانده است. با این حال، ساخت نانو به دلیل ابعاد جدید محصولات نهایی تبدیل به اصطلاح اصلی شده است. این یکی از مهم ترین پیشرفت ها در صنعت مدرن است. این فناوری بر تولید قطعات، دستگاه‌ها یا سیستم‌های پیشرفته، در مقادیر زیاد و با هزینه کم بالقوه متمرکز است. [2]. این عمدتا در صنعت میکروالکترونیک استفاده می شود. با این حال، مزایای آن نیز توجه دانشمندان شاغل در صنایع پزشکی، دفاعی و هوافضا را به خود جلب کرده است.
در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:
- نانوساخت چیست؟
- تکنیک های مختلف ساخت نانو
- طیف گسترده ای از کاربردهای نانوساخت
نانوساخت چیست؟
نانوساخت را می توان به عنوان فرآیند مونتاژ یک ساختار یک بعدی، دو بعدی یا سه بعدی در مقیاسی بین 1 تا 100 نانومتر به منظور استفاده از ویژگی های منحصر به فردی که در این ابعاد آشکار می شود، تعریف کرد. به عنوان یک مرجع، نانومتر واحدی در سیستم بین المللی است که نشان دهنده 10 است-9 متر طول
نانوساخت که در صنعت به نام تولید نانو نیز از آن یاد می شود، شامل فناوری نانو. همانطور که از نام آن پیداست، نانوتکنولوژی به معنای «تکنولوژی در مقیاس نانو» است. این نشان دهنده مطالعه سیستم های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی در مقیاس نانو و همچنین ادغام آنها در نانومواد یا نانوساختارها است.
تکنیک های نانوساخت
نانوساخت عمدتاً از دو تکنیک اصلی تشکیل شده است:
نانوساخت از بالا به پایین
در این روش، مواد حجیم یا جامد با استفاده از ابزارهای فیزیکی (لیتوگرافی) یا فرآیندهای شیمیایی که مواد را تا رسیدن به شکل و اندازه نهایی تجزیه می کنند، به ساختارهای کوچکتر مورد نظر تغییر می دهند یا شکسته می شوند. [3][4].
نانوساخت از پایین به بالا
در این رویکرد، از مواد در مقیاس اتمی یا مولکولی به عنوان بلوک‌های ساختمانی برای تشکیل نانوساختارها استفاده می‌شود. این رویکرد به نام دستکاری نانو نیز شناخته می شود و فرآیند حرکت و تغییر اجسام در مقیاس اتمی/مولکولی را توصیف می کند. [2]. فرآیندهای پایین به بالا بر اساس جنبه های ترمودینامیکی و جنبشی است که نتیجه را تعریف می کند، برخلاف ماهیت قطعی رویکردهای بالا به پایین.
جدول زیر نمونه هایی از تکنیک های نانوساخت را نشان می دهد [5]. توجه به این نکته ضروری است که در عمل، هر تکنیک نانوساخت به تنهایی استفاده نمی شود، بلکه در ترکیب با چندین فرآیند دیگر استفاده می شود.
| فرآیندهای پایین به بالا | فرآیندهای بالا به پایین |
| تماس با چاپ | پرتو الکترونیکی، لیتوگرافی پرتو یونی |
| رشد قالب | لیتوگرافی پروب اسکن (SPL) |
| خیس کردن/خیس کردن اسپینودال | لیتوگرافی میدان نزدیک نوری |
| گیر/موچین لیزری | لیزر فمتو، att-sec |
| خود و غیر مستقیم مونتاژ | فرآیند حذف مواد |
| الکترواستاتیک | فرآیند فرسایشی الکتریکی |
| تجمع کلوئیدی | حذف مواد اولتراسونیک |
برخی از اساسی ترین تکنیک های مورد استفاده در زیر به اختصار توضیح داده شده است:
لیتوگرافی
لیتوگرافی به فرآیندی اطلاق می شود که در آن الگوهای ساختارهای مورد نظر بر روی بلورهای نیمه هادی با استفاده از ماسک برای تولید مدارهای مجتمع یا سیستم های نانوالکترومکانیکی اعمال می شود. نسل جدید لیتوگرافی از اشعه ایکس، UV شدید و ذرات باردار استفاده می کند. همچنین در مقیاس نانو عمل می کند که به آن نانولیتوگرافی نیز می گویند. این فرآیند ترکیبی بین فرآیند اچینگ از بالا به پایین و فرآیند رشد نانولایه از پایین به بالا در نظر گرفته می شود. [6].
حکاکی کردن
اچینگ به روشی اطلاق می‌شود که در آن سطح جامد با حل شدن در مایع یا گاز (اچ مرطوب یا اچ الکتروشیمیایی)، با استفاده از روش‌های فیزیکی-مکانیکی (اچ خشک) یا ترکیبی از هر دو اصلاح می‌شود. در اچ کردن خشک، اچانت می تواند در فاز بخار یا پلاسما باشد که در نتیجه اثرات اچینگ متفاوتی دارد. [7].
علاوه بر این، اچ می‌تواند همسانگرد (در همه جهات)، ناهمسانگرد (یک جهته، پیروی از جهت‌های کریستالی)، یا جهت‌دار (به دنبال جهت اچ‌کننده‌های بمباران) باشد.
لایه های نازک
لایه های نازک لایه هایی از ساختارهای کریستالی با ضخامت در حد نانومتر هستند. آنها با استفاده از انواع فرآیندهای پوشش رسوبی، از جمله رسوب شیمیایی بخار (CVD)، رسوب فیزیکی بخار (PVD)، رسوب لایه اتمی (ALD)، و اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) ساخته می شوند. [8].
کاربردهای ساخت نانو
محصولات تولید شده توسط نانوساخت در حال توسعه دائمی هستند. بخش های صنعتی که هدف استفاده از این محصولات هستند عبارتند از: الکترونیک و نیمه هادی ها، محاسبات و فناوری اطلاعات، ارتباطات، دفاع، خودروسازی، صنایع شیمیایی و پزشکی.
از جمله برخی از رایج ترین محصولات به دست آمده از نانوساخت می توان به [9]:
- نیمه هادی ها
- نانوسیم ها
- ذرات نانوساختار
- نانولوله ها
- پوشش ها، رنگ ها و لایه های نازک
- نانو ذرات
- سیستم های نانو / میکروسیال
- اپتیک یکپارچه
- سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS)
- تجهیزات دفاعی، امنیتی و حفاظتی
- محصولات مخابراتی، نمایشگرها و اپتوالکترونیک.
[1] سارنگان، ا. (1395)، “نانوسازی”، در مبانی و کاربرد نانوفتونیک، انتشارات وودهد.
[2] Tseng، AA (2008)، نانوساخت: مبانی و کاربردها، شرکت انتشارات علمی جهانی Pte. Ltd., Danvers, MA.
[3] نصرالله زاده، م.، سجادی، س.م.، سجادی، م. و عیس آبادی، ز. (1398)، «درآمدی بر فناوری نانو»، علم و فناوری رابط، جلد 28، صفحات 1-27، چکیده، [Online].
[4] Yu، HD.، Regulacio، MD، Ye، M.، و Han، MY. (2013)، “مسیرهای شیمیایی به سمت نانوساخت از بالا به پایین“، بررسی های انجمن شیمی، شماره 14، چکیده [Online].
[5] Biscarini, C., Komanduri, T., Fabio, J., Ranga, C. (2002) کارگاه آموزشی NSF-EC در مورد تولید و پردازش نانو، (PDF). بنیاد ملی علوم، [Online].
[6] کومارم دی اس، ماهش، اچ ام (2018)، نانوساختارهای کواتومی (QDs): یک مرور کلی، در: سنتز نانومواد معدنی، انتشارات وودهد.
[7] گاتزن، اچ، و سایل وی. (2015)، میکرو و نانوساخت، ابزار و فرآیند، اسپرینگر، آلمان
[8] Cui, Z. (2008) نانوساخت: اصول، قابلیت ها و محدودیت ها، اسپرینگر.
[9] Busnaina، A. and Mehta، M. 2006، مقدمه ای بر تولید در مقیاس نانو و وضعیت صنعت تولید در ایالات متحدهراهنمای تولید نانو.