سیستم هایی که براساس نانوسیم ها شکل گرفته اند با توجه به پتانسیل تکنولوژیکی بالایی که دارند، اخیراً مورد توجه فراوانی قرار گرفته و به واسطه اثرات کوانتومی منحصر به فردی که از خود نشان می دهند از جذابیت زیادی برخوردارند. در این مقاله پیشرفتهای صورت گرفته در ساختار نانوسیم ها براساس دو روشی که یکی به کمک قالب و دیگری به کمک لیزر عمل می نمایند، مورد بررسی قرار گرفته و همچنین ساختار و مشخصات سیستمهای مختلف نانوسیم ها مورد بحث واقع شده است. برای آگاهی از خواص غیرمعمول نانوسیم ها و نیز پیش بینی این خواص، یک مدل تئوری برای ساختارهای نواری سیستم های یک بعدی بسط داده ایم. اتصال منحصر به فرد نیمه رسانا- نیمه فلز در نانوسیم بیسموت نیز در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است. اندازه گیری کمیتهای انتقالی نانوسیم های بیسموت و آنتیموان نشان می دهد که تفاوتهای زیاد با نقاط نظیر در توده آنها وجود دارد. همچنین یک مدل انتقالی که براساس محاسبات ساختاری نواری استوار گشته است جهت تفسیر نتایج آزمایشگاهی و نیز دستیابی به یک بینش صحیح درباره پدیده های انتقال در سیستم های نانوسیمی ارائه شده است.

1- مقدمه

مواد نانو ساختار به لحاظ اهمیت اساسی و پتانسیل های کاربردیشان در حوزه های مختلف شیمی، فیزیک، بیولوژی و علم مواد در سالهای اخیر به طور فزاینده ای مورد توجه قرار گرفته اند. در حوزه تجهیزات الکترونیکی و نوری، کوچک سازی و مینیاتوری کردن قطعات و افزایش چگالی ظرفیتی آنها، طیف گسترده ای از تحقیقات نانو فناوری را به خود اختصاص داده است. تکنیکهای متعددی جهت ساخت نانوساختارها توسعه یافته اند که از این میان  می توان به لیتوگرافی اشعه الکترونی، رسوب بخار شیمیایی (CVD) و روشهای خودآرائی اشاره نمود.

نانو ساختارها طبقه جدیدی از مواد را ارائه داده اند که دارای خواص متفاوتی در مقایسه با انواع مولکولی و ساختارهای توده ای حالت جامد هستند. وجود اثرات کوانتومی، رفتار منحصر به فردی که می تواند در قطعات جدید الکترونیکی، نوری، مغناطیسی و ترموالکتریکی مورد استفاده قرار گیرد را تشدید می کند. ساختارهای متعدد چاه کوانتومی جهت تمرکز مطالعات درسیستم های نانویی از شانس بیشتری برخوردارند. در این سیستم ها دستگاههای کاربردی به دو بعد محدود شده اند. در مقایسه، انتظار می رود نقاط کوانتومی صفر بعدی و نانوسیم های یک بعدی، حتی اثرات کوانتومی قویتری نیز داشته باشند. شاید بتوان گفت نانوسیم ها بیشترین سهم را جهت ساخت قطعات الکترونیکی جدید دارا می باشند چرا که آنها نسبت به ساختارهای دو بعدی، اثرات کوانتومی چشمگیرتری را از خود نشان داده و بر خلاف اکثر سیستم های صفر بعدی ،پیوستگی خواص انتقالی خود را در طول محور سیم حفظ می کنند. این مقاله درباره روشهای ساخت، ساختار و خواص انتقالی در سیستم های نانوسیمی به ویژه در حوزه کاربرد الکترونیکی، توضیحاتی ارائه می دهد، همچنین یک مدل تئوری عمومی برای ساختار نواری سیم های کوانتومی که بروز رفتارهای جدید در این سیستم ها مستقیماً به این ساختارهای نواری مربوط می شود، در این مقاله ارائه شده است. علاوه بر این، یک مدل انتقالی نیمه کلاسیک توسعه داده شده است که به وسیله این مدل خواص انتقالی غیرمعمول که در آزمایشات مربوط به سیستم های نانوسیمی مشاهده گشته قابل توجیه است  و میتوان آن را با رفتار پیش بینی شده مورد مقایسه قرار داد.

2- مشخصات ساختاری و روشهای ساخت نانوسیم ها

تهیه سیستم های کوانتومی یک بعدی، یکی از بزرگترین چالشهای موجود در ساخت مواد است. سنتز مداوم و با شفافیت بالای نانوسیم ها از اساسی ترین حوزه های مطالعاتی در زمینه پدیده های کوانتومی در سیستم های کم بعد می باشد. در دهه گذشته در زمینه روشهای دستیابی به نانوسیم ها به وسیله تکنیکهایی نظیر تزریق در فشار بالا، رسوب بخار، رسوب الکتروشیمیایی، توانایی لیزری، تبخیر دمایی، انتشار اشعه مولکولی و لیتوگرافی اشعه الکترونی پیشرفتهای شایانی صورت گرفته است. بکارگیری این روشهای متعدد منجر به تولید طیف وسیعی از مواد نانوساختار یک بعدی می شود. اگرچه از برخی روشها فقط در موارد خاص استفاده می شود اما قطعاً هر روش در رابطه با قطر نانوسیم، شفافیت آن، هزینه های ساخت و توانایی تغییر اندازه با محدودیتهایی مواجه است. در این مقاله تکنیکهای ساخت نانوسیم ها مورد بازبینی قرار گرفته و ساختار نانوسیم تولید شده مورد بحث قرار خواهد گرفت.  مهمترین روشها در ساخت نانو سیم ها عبارتند از:   

1. سنتز به کمک لیزر

2. تزریق تحت فشار

3. رسوب الکتروشیمیایی

4. رسوب بخار

در قسمتهای بعدی این مقاله درباره هریک از روشهای فوق توضیحاتی ارائه خواهد شد.

تصویر SEM از نانوسیم

 

ادامه روش سنتز به کمک قالب

قالبهای متخلخل را می توان به وسیله ایجاد شکاف در ذرات شیمیایی، ناشی از بمباران یونی نیز بوجود آورد. حفرات ایجاد شده بدین طریق، به صورت تصادفی و با پرکننده هایی با دانسیته  2- cm 7 10 تا2 - cm 9 10 توزیع می شوند که از دانسیته مشابه در روش آلومینای آندی، کوچکتر می باشند. در روش مذکور اگر کنترل اعمال گردد، قطر حفره ها می تواند از چند صد نانومتر تا حدود 5 نانومتر تغییر نماید. معمولاً غشاهای پلی کربنات(که بیشتر در دسترس هستند) در اندازه های مختلف ، به صورت گسترده ای در سنتز نانوسیم ها به کمک قالب مورد استفاده قرار می گیرند.

اخیراً فیلمهای تک کریستالی میکا نیز جهت ساخت حفرات بکار گرفته می شوند. غشاهای پلیمری دارای معایبی می باشند از جمله اینکه نسبتاً نرم هستند که این باعث عدم تبیین آسان مورفولوژی حفره ها و ناهموار گشتن سطوح داخلی حفرات می گردد. همچنین غشاهای پلیمری در مقایسه با فیلم میکا از نظر گستره دمایی مورد استفاده در حین کار و خواص دارای محدودیت می باشند چرا که فیلمهای میکا در دماهای بالای K 770 نیز از پایداری شیمیایی برخوردارند. شکل 3 تصاویر SEM حاصل از غشاهای پلی کربنات و فیلمهای میکا را نشان می دهد. حفرات ایجاد شده در غشاهای پلیمری تا حدودی استوانه ای هستند. به دلیل نرخ نامنظم رشد شکافها، سطح مقطع حفرات در فیلمهای میکا دارای نمایی الماس گونه می باشند.

همچنین استفاده از نانوکانالهای شیشه ای (NCG) جهت سنتز نانوسیم ها به کمک قالب پیشنهاد شده است. این نانوکانالها شامل آرایه های هگزاگونال منظم شبیه آنچه که در آلومینای آندی بدان اشاره شده می باشند که به وسیله مرتب سازی دو شیشه غیریکسان در یک ترکیب معین بدست می آیند.

شکلa) 4 ) نقش میله های استوانه ای شکل شیشه ای درون یک اسید را به عنوان هسته هایی درون یک ماتریس هگزاگونال پر شده که به صورت لوله های شیشه ای می باشند، نشان می دهد. کاهش سطح مقطع این آرایه ها از طریق خودآرائی هسته – لوله که در دماهای بالا صورت می¬گیرد امکان پذیر می باشد. با تکرار این فرآیند قطر کانال به ابعادی در حدود nm 33 خواهد رسید که دانسیته پر کننده های آن برابر 10 10× 3 حفره در هر 2 cm است. نهایتاً این هسته های شیشه ای میله مانند از اسید جدا گشته و به شکل حفره های استوانه ای درمی آیند. شکل 4 (b)تصاویر NCG را که در یک محفظه هگزاگونال به شکل کانالهایی با قطر nm 33 مرتب شده اند، نشان می دهد.

ممکن است از مواد متخلخل دیگری در ساخت نانوسیم استفاده شود. غربالهای مولکولی متخلخل با نام  MCM-41 دارای حفره های منظم هگزاگونال با قطر کانالهای بسیار کوچک می باشند که بین 2 تا 10 نانومتر متغیر بوده و جهت ساخت قالبهای فوق مولکولی بر پایه سورفکتانت ها استفاده می شوند. مولکول سورفکتات شامل یک سر آبدوست با تمایل شدید به آب و یک دم آب گریز می باشد. در حضور آب، انواع سورفکتانت دستخوش تراکم خود به خودی شده و به صورت ساختارهایی متشکل از مولکولهای به هم پیوسته micellar در می آیند. در حالیکه سرآبدوست micellar به طرف خارج و در تماس با آب قرار دارد، دم آب گریز در هسته micellar جای دارد تا تماس با آب را به حداقل برساند سپس هسته سیلیکاتی بعد از آنکه روی آرایه های مرتب شده micellar رسوب می کند. در حضور تعداد کافی از micellar به منظور تشکیل یک ساختار بزرگ آلی – غیرآلی، اقدام به خودآرائی می نماید. پس از آن می توان سورفکتانت های آلی را جهت بدست آوردن حفره های استوانه ای شکل هگزاگونال به وسیله تصفیه حرارتی از ساختار مذکور جدا نمود. اخیراً از مولکول DNA به عنوان قالب جهت رشد نانوسیم ها استفاده می شود.

در روش سنتز نانوسیم ها به کمک قالب حفرات موجود در قالب به وسیله مواد مشخصی به چندین روش پر می شود. روشهای تزریق تحت فشار ،رسوب الکتروشیمیایی و رسوب بخار در بخشهای بعدی این مقاله مورد بررسی قرار گرفته اند