منبع پایان نامه ارشد درمورد تکنولوژی، فناوری نانو، اندازه گیری

و اثر جوزفسون اگر دو ابررسانا را خیلی به هم نزدیک کنیم، مقداری از جریان یکی به دیگری نشت می کند. در دو سر این تونل یا هیچ ولتاژی وجود ندارد. یعنی میزان جریان نشتی به ولتاژ بستگی ندارد ولی میدان مغناطیسی و تابش مغناطیسی حتی در مقادیر خیلی کوچک به شدت وابسته است. عملکرد ابررسانا در این زمینه تا حدودی شبیه دیودهای نیمه هادی است که به جای اتصال دو نوع نیمه هادی نوع n و p به یکدیگر، دو ابر رسانا با لایه نازکی از عایق اتصال داده می شوند. اتصال جوزفسون کاربردهای زیادی در تکنولوژی ساخت دستگاههای اندازه گیری دارد. و همانطور که گفته شد نوعی کلیدزنی بسیار سریع است و کلیدزنی ولتاژ را تقریبا 10 برابر سریعتر از مدارهای نیمه رسانای متداول انجام می دهد که مزیتی ممتاز برای استفاده در کامپیوتر ها می باشد. از آنجایی که سرعت کامپیوتر وابسته به انتقال پالس از تجهیزات است، سرعت بالای سویچینگ باعث بالا رفتن سرعت کامپیوتر و کوچک شدن حجم کامپیوتر خواهد شد. به علاوه اثر جوزفسون منجر به سرعت و حساسیت بی نظیر ادوات الکتریکی همچون پیوند جوزفسون و ادوات تداخل کوانتوم ابررسانایی24 که برای اندازه گیری های مغناطیسی فوق العاده حساس در زمینه ژئوفیزیک، شیمی تجزیه و داروسازی استفاده می شود]9[.
در این تحقیق اثر جوزفسون در اتصالات پایه گرافن کش دار بررسی می گردد که اتصال مورد نظر ابررسانا – عایق – ابررسانا می باشد. معادله دیراک – باگالیوباف – دی جنیس معادله حاکم بر اتصالات گرافن – ابررسانا و پدیده های مرتبط با آن می باشد که چارچوبی نسبیتی برای تئوری میکروسکوپی ابررسانایی است. اگرچه ابررسانایی ذاتا در گرافن آشکار نمی شود ولی این خاصیت را می توان بواسطه اثر مجاورت با قرار دادن یک الکترود ابررسانا برروی یک پایه گرافن القا کرد. با القای خاصیت ابررسانایی در گرافن سری جدید مطالعات برروی پدیده های مختلف از جمله جریان جوزفسون و اثر آن در اتصالات مختلف که بر پایه گرافن می باشد، آغاز شد و همچنین جفت شدگی های مختلف نیز در گرافن القا می شود]10[. اخیرا خواص الکترونیکی سیستم گرافن تغییر شکل یافته مورد توجه بوده است که با قرار دادن گرافن تحت کشش و تغییر نقطه دیراک وابسته به ذره در ناحیه کشش، یک پتانسیل برداری وابسته به ذره و عمود بر جهت کشش القا می شود که این خود موجب قطبی شدن ذره می گردد که یکی از خواص مهم الکترونیکی ذره ای است]11[. در این پژوهش، پس از توصیف کلی گرافن، ابررسانایی، اثر جوزفسون ودر نهایت گرافن کش دار و تاثیر سرعت نامتقارن فرمیونهای بدون جرم در آن، برروی جریان جوزفسون، اتصالات ابررسانای پایه گرافن بررسی خواهد شد و جریان جوزفسون و نمودارهای مربوط به آن مورد بررسی و بحث قرار خواهد گرفت.
فصل اول: مروری بر گرافن
1-1- نانوفناوری
برای درک بهتر اشیاء و فضاها از ابعاد متفاوت و گوناگونی که متناسب با آن فضاست استفاده می کنیم. اگر با دقت در ساختار اتمی مواد و طرز قرارگیری اتم ها بنگریم متوجه خواهیم شد که قطر چند اتم از یک ماده فقط چند میلیاردم متر است. بنابراین بهتر است برای درک بهتر ابعاد اتم ها از مقیاس مناسب تری که همان نانومتر است استفاده کنیم. یک نانومتر یک میلیاردم متر است. این مقدار حدودا چهار برابر قطر یک اتم است. کوچکترین IC امروزی با ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم، حدود یک میلیون اتم را دربر دارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه ای حدود 10 نانومتر، هزار برابر کوچکتر از یک موی انسان است.
علم بررسی و تحقیق تولید مولکولی یا ساخت اشیاء بصورت اتم به اتم یا مولکول به مولکول را نانوفناوری گویند. بنابراین فناوری نانو درباره ساخت ابزارهای نوین مولکولی منحصربفرد با بکارگیری خواص شیمیایی کاملا شناخته شده اتم ها و مولکولها (نحوه پیوند اتم ها به یکدیگر) صحبت می کند. مهارت اصلی این تکنولوژی دستکاری اتم ها بطور جداگانه و جای دادن دقیق آنها در مکانی است که برای رسیدن به ساختار دلخواه و ایده آل مورد نظر می باشد. بنابراین کار با اتم ها و مولکولها نیازمند استفاده از ابزارها و وسایل در مقیاس اتمی و مولکولی (نانومتر) می باشد.
در فناوری نانو تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست، بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و … تغییر می یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر بیان نماییم، می توانیم وجود ” عناصر پایه “را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانو مقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانو مقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند که عبارتند از نانو ذرات، نانو لوله های کربنی، نانوکپسولها. اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذره است. نانو ذره ذراتی با ابعادی در حدود 1 تا 100 نانومتر و در هر سه بعد می باشد.
1-2- اهمیت نانو ابعاد
برای کنترل و دستکاری نانو ساختارها25، امکان بهره برداری از خصوصیات فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی سیستم هایی که دارای ابعادی میان تک اتم ها، مولکولها و مواد حجیم هستند را فراهم می آوریم. سئوال این است که چرا از ابعاد نانومتری استفاده می کنیم و اهمیت نانو ابعاد در چیست؟ بعضی از دلایل اهمیت نانو ابعاد عیارتند از:
1) خصوصیات مواد در اندازه های نانومتری دستخوش تغییراتی می شود. با طراحی مواد نانومتری، تغییر در خصوصیات ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک ماده مانند رنگ، خواص مغناطیسی، دمای ذوب و … بدون تغییر ترکیبات شیمیایی آن ممکن می شود.
2) خصوصیات کلیدی مواد بیولوژیکی و زنده، سازماندهی منظم آنها در ابعاد نانومتری است. توسعه در زمینه نانوتکنولوژی به ما اجازه خواهد داد که چیزهای نانوابعادی ساخت بشر را در داخل سلولهای زنده قرار دهیم. همچنین این کار باعث خواهد شد که با استفاده از خودچینی طبیعت ( تکثیر خودبخودی و منظم مواد بدون دخالت انسان) بتوانیم مواد جدیدی بسازیم. این کار باعث ایجاد ترکیبات بیولوژیکی با علم مواد خواهد شد.
3) ترکیبات نانومتری دارای نسبت سطح به حج بسیار زیادی هستند. چون حجم کمی دارند اما سطح زیادی را پوشش می دهند، استفاده از آنها در مواد کامپوزیتی، دارورسانی در بدن و ذخیره انرژی به شکل شیمیایی (مانند گاز طبیعی و هیدروژن) بسیار ایده آل خواهد بود.
4) سیستم های ماکروسکوپیک ساخته شده از نانوساختارها می توانن چگالی بسیار بیشتری نسبت به مواد ساخته شده از میکروساختارها داشته باشند وهمچنین هدایت الکتریکی بهتری دارند. با استفاده از بر هم کنش نانو ساختارها مفاهیم جدیدی در ابزارهای الکترونیکی، مانند مدارهای کوچکتر و سریعتر، کارآیی بسیار پیشرفته تر و مصرف برق بسیار کمتر پدید می آید.
1-3- کربن
کربن یکی از عناصر شگفت انگیز طبیعت است و کاربردهای آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تایید می کند. نقش مهم این عنصر در پیوندهای کربنی و مولکولهای آلی حیات و توانایی اتم های کربن در تشکیل شبکه های پیچیده مبنایی برای وجود حیات در عالم است]12[. ماهیت متنوع این پیوند است که به کربن اجازه تشکیل بعضی نانوساختارهای جالب، بخصوص نانو لوله های کربنی را میدهد. کربن با عدد اتمی 6 در گروه چهارم جدول تناوبی قرار دارد. این عنصر یکی از عناصر اصلی موجودات زنده را دربر گرفته است. بنابر این بیشتر دانشمندان سعی می کنند ترکیبات کربنی را در شاخه شیمی آلی بررسی کنند. اتم های کربن همه جا هستند و داشتن ظرفیت چهار پیوندی به آنها اجازه می دهد تا با دیگر اتم های کربن زنجیره ای از اتم ها را ایجاد کرده و بتوانند در نقاطی از زنجیره با انواع دیگری از اتم ها پیوند تشکیل دهند. هیچ عنصر دیگری در جدول دوره ای عناصر نیست که بتواند پیوندی چنین قوی با خودش تشکیل دهد و بتواند به روشهای مختلفی با اتم های کربن پیوند برقرار کند که در این حالت دارای مشخصه های یک گاز خواهند بود. در عین حال ممکن است با یکدیگر یک زنجیر بلند تشکیل دهند که ایجاد یک جامد می نماید یا اینکه می توانند بصورت شبکه های دو و سه بعدی با یکدیگر پیوند تشکیل دهند تا موادی بسیار سخت مانند الماس بوجود آید. با قابلیت هایی مانند موارد گفته شده، اتم های کربن برای استفاده در نانو مواد عالی هستند.
1-4- گونه های مختلف کربن در طبیعت
کربن نقش یگانه ای در طبیعت بازی می کند. شکل گیری اتم کربن در ستاره ها نتیجه همجوشی سه ذره آلفا بوده و این فرآیند عامل بوجو آورنده تمام عناصر نسبتا سنگین عالم است]13[. این عنصر از دیرباز برای انسان بصورت دوده و زغال چوب شناخته شده بود. گونه های متفاوت دیگری از کربن نیز در طبیعت وجود دارد که تفاوت این گونه ها صرفا به شکل گیری اتم های کربن نسبت به هم یا به ساختار شبکه ای آنها برمی گردد. اتم های کربن به روش های مختلفی باهم پیوند می دهند. نحوه پیوند خواص ماده کربنی حاصل و شکل آن را تعیین می کند. کربن به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می شود که همه این چهار شکل جامد هستند و در ساختار آنها اتم های کربن به صورت کاملا منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. در بخش بعد،آلوتروپ های مختلف کربن بیان شده اند.
1-4-1- کربن بی شکل
از سوختن ناقص بسیاری از هیدروکربن ها و یا مواد آلی (مثل چوب یا پلاستیک) ماده سیاه رنگی به جا می ماند که کربن بی شکل یا آمورف26 نام دارد. این ماده که پس مانده سوخت ناقص مواد آلی است از دیرباز جهت تولید انرژی بشر مورد استفاده قرار می گرفت. زغال چوب و زغال سنگ از انواع مواد کربن بی شکل هستند که انسان با سوزاندن آنها انرژی زیادی را بدست می آورد.
1-4-2- الماس
در الماس با عنوان سخت ترین ماده جهان دارای ساختار بلوری منظمی می باشد(شکل1-1). در این ساختار هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند برقرار می کند که به آن ساختار مکعبی شکل و پایدار می دهد و باعث استحکام و سختی زیادی در آن می شود. دلیل این سختی زیاد این است که در الماس هر اتم کربن به سه اتم دیگر تشکیل پیوند می دهد که فاصله بین اتم ها در حدود 17/0 نانومتر است که باعث تشکیل یک شبکه fcc با ثابت شبکه 365/0 نانومتر است]14[. این ماده بدلیل سختی بالا تمام عناصر موجود در طبیعت را می خراشد و از اینرو در تراش فلزات سخت، سرامیکها و شیشه از آن استفاده می کنند. این ماده بدلیل درخشش بالایی که دارد از دیرباز در جواهرآلات نیز مورد استفاده قرار می گرفته است.
شکل 1-1- ساختار الماس
1-4-3- گرافیت27
گرافیت یکی از مهمترین ساختارهای کربن در طبیعت است و از قرار گرفتن 6 اتم کربن در کنار یکدیگر بوجود آمده است. این اتم های کربن بگونه ای با یکدیگر ترکیب شده اند که یک شش ضلعی منظم را پدید می آورند و از مجموع آنها صفحه ای بدست می آید که به عنوان یک لایه گرافیت درنظر گرفته می شود و گرافن نامیده می شود. مجموع صفحه های گرافن با هم کنش ضعیف واندروالس28 بین آنها گرافیت را می سازند(شکل1-2). فاصله پیوند کربن – کربن در صفحه گرافن 1421/0 نانومتر و فاصله بین صفحه ها برابر 34/0 نانومتر است]15[.
اتم های کربن با پیوندهای کووالانسی29 قوی و محکم، حتی محکمتر از پیوندهای اتم های الماس، به یکدیگر متصل شده اند. اتم های کربن بکار رفته در یک لایه گرافیت نمی توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کووالانسی ایجاد کنند، بنابراین هرلایه گرافیت از طریق پیوندهای واندروالس به لایه زیرین متصل می شود، در نتیجه اگر نیرویی در راستای سطح به ساختار این ماده اعمال شود به آسانی نمی توان پیوند بین اتم های آن را شکست، زیرا هرکدام از این اتم ها با پنج

مطلب مرتبط :   منابع مقاله با موضوعروش سطح پاسخ

دیدگاهتان را بنویسید