منبع پایان نامه ارشد درمورد درجه حرارت، اندازه گیری، معادله ساختاری

_(R_B)^N▒ ψ_B e^(i K R_B ) X(r-R_B )-1/√N ∑_(R_B)^N▒ 〖ψ^’〗_B e^(i K^’ R_B ) X(r-R_B )
1-10- روشهای ساخت گرافن
همانطور که ذکر شد گرافن ماده ای دو بعدی است که به دلیل ضخامت اتمی و ویژگی های عالی و نیز کاربردهای روز افزونش، یکی از نوید بخش ترین مواد در صنعت آینده نانوالکترونیک به شمار می رود. امروزه روشهای بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می شود که از متداولترین آنها می توان به روشهای لایه برداری مکانیکی، لایه برداری شیمیایی، رسوب بخار شیمیایی75 (CVD)، روش کاهشی76، سونش77، پخش گرافن در محلول، سنتز سنتی، آلی و شیمیایی78 را نام برد.
برخی روشهای دیگر مانند شکافتن نانولوله های کربنی و ساخت امواج با ماکروویو نیزاخیرا بکار برده شده اند.
این تنوع کارکردهای گرافن، سیستمی ایده آل را برای ساخت نانوقطعات79 و حتی مدارهای نانویی80 فراهم می کند.بگونه ای که در آنها گرافن بعنوان یک عضو مشخص با توجه به ویژگی های خود عمل خواهد کرد، به این ترتیب می توان مدارها و وسایلی را بطور کامل بر پایه گرافن ساخت]41[.
1-11- ساختارهای لبه ای گرافن
مطالعات نظری نشان می دهد که ویژگی های مغناطیسی و الکتریکی گرافن به طور خاصی به ساختار لبه ای آن وابسته است. طیف انرژی فرمیون های دیراک در گرافن تحت تاثیر اثر کوانتومی هال قرار می گیرد و در لبه ها پراکنده می شود. دو نوع ترکیب بندی عمده برای لبه های گرافن وجود دارد، دسته صندلی81 و زیگزاگی82. نانو نوارهای گرافنی با لبه های دسته صندلی، وابسته به عرضشان می توانند فلز یا نیمه رسانا باشند. نانو نوارهای زیگزاگی نیز به علت دارا بودن زمان واهلش طولانی اسپین، می توانند در شیرهای اسپینی و دیگر وسایل اسپینترونیک به کار روند.
حامل های بار در گرافن، دارای طیفی بدون گاف انرژی و از نوع دیراک هستند. گرافن طبیعی یک نیمه فلز یا یک نیمه رسانا با گاف نواری صفر است]29 و 31[. حال آنکه نانو نوارهای گرافنی بسته به شکل لبه آنها می توانند خاصیت فلزی یا نیمه رسانا داشته باشند. خواص الکترونی نانو نوارهای گرافنی بوسیله پهنا و شکل لبه ها کنترل می شود]42 و 43[.
همانطور که در شکل (1-10) مشاهده می شود، در ساختار نواری انرژی گرافن در جهت گیری زیگزاگی، محاسبات نشان می دهد که در این جهت گیری گرافن همواره فلز است و در ساختار نواری انرژی گرافن در جهت گیری صندلی دسته دار، محاسبات نشان می دهد که در این جهت گیری گرافن بسته به عرض لایه می تواند فلز و یا نیمه رسانا باشد.
(الف) (ب)
شکل 1-10- ساختار نوار انرژی گرافن در دو جهت گیری الف – زیگزاگی ب- آرمچیر
اگرچه این ساختار های لبه ای برای کاربرد بسیار مفید هستند، هنوز این مشکل وجود دارد که بتوان گرافن را با لبه های تعریف شده به کمک روش های سنتی مانند روش های مکانیکی ، کاهش شیمیایی یا سونش تولید کرد. اخیرا اقدامات موفقیت آمیزی در این زمینه گزارش شده است و دانشمندان مختلف نمونه های گرافن با ساختار لبه ای زیگزاگی و دسته صندلی دار را به روشهای متفاوتی بدست آورده اند.
فصل دوم: پدیده ابررسانایی
2-1- رسانش در فلزات
رسانش فلزی عمدتاً توسط حالتهای کوانتومی واقع در لایهی نازکی با انرژی تعیین میشود، چرا که فقط این حالتها میتوانند به صورت گرمایی در دمای T برانگیخته شوند. این را میتوان همانند گاز رقیقی از الکترونها که به حالتهای خالی بالای برانگیخته شدهاند و نیز حفرههای واقع در حالتهای پر پایین در نظر گرفت. در این توصیف گاز فرمی از فلزات، رسانندگی در نظریهی درود83 به صورت زیر داده میشود:
(2-1)
که در آن m جرم مؤثر الکترونهای رسانش است، e- بار الکترون بوده و طول عمر متوسط حرکت آزاد الکترون ما بین برخوردهایی است که با ناخالصیها یا با الکترونهای دیگر دارد.
مقاومت ویژه توسط معادله ساختاری زیر تعریف میشود:
(2-2)
بنابراین ، وارون رسانندگی میباشد، . با استفاده از فرمول درود میبینیم که
(2-3)
و بنابراین مقاومت ویژه متناسب با آهنگ پراکندگی الکترونهای رسانش است. در یک فلز نوعی سه نوع ساز و کار عمدهی پراکندگی وجود دارد. پراکندگی توسط ناخالصیها، برهمکنش الکترون – الکترون و برخوردهای الکترون – فونون. مقاومت کل، جمع سهمهای هر یک از این سه فرآیند مستقل پراکندگی است:
(2-4)
هر یک از این طول عمرها بستگی مشخصهای به دما دارد.
آهنگ پراکندگی از ناخالصیها، حداقل برای ناخالصیهای غیر مغناطیسی مستقل از دما است. آهنگ پراکندگی الکترون – الکترون متناسب با T2 است که در آن T دما میباشد. این در حالی است که در دماهای پایین (خیلی پایینتر از دمای دبای)، آهنگ پراکندگی الکترون – فونون متناسب با است. بنابراین انتظار داریم که در دماهای خیلی پایین، مقاومت یک فلز به صورت:
(2-5)
باشد. مقاومت باقیماندهی در دمای صفر فقط به غلظت ناخالصیها بستگی دارد.
اما برای یک ابررسانا اتفاقی عجیب روی میدهد. مقاومت ویژه آن در اثر سرد کردن ابتدا از معادلهی (2-5) پیروی میکند، اما همان طوری که درنمودار (2-1) نشان داده شده است، ناگهان به طور کامل صفر میشود. دمایی که در آن مقاومت صفر میشود، دمای بحرانی Tc نامیده میشود. پایینتر از این دما، مقاومت عدد کوچکی نیست بلکه تا آنجایی که میتوان اندازهگیری کرد دقیقاً صفر است. برمبنای مدل درود این امر کاملاً دور از انتظار بود و در حقیقت کشف جدیدی از حالت ماده بود: یعنی ابررسانایی.
همانطور که در نمودار (2-1) نشان داده شده است، تغییر از مقاومت متناهی به مقاومت صفر بسیار جهشی میباشد. این مبین گذار فاز ترمودینامیکی از یک فاز به فاز دیگر است. همانند گذار فازهای دیگر، از قبیل گذار مایع به گاز، خواص طرفین گذار میتوانند کاملاً متفاوت از هم باشند. تغییر از یک فاز به دیگری به جای عبور از یک رفتار به رفتار دیگر، در یک دمای کاملاً مشخص و به صورت کاملاً تیز اتفاق میافتد. در اینجا به این دو فاز، حالت عادی و حالت ابررسانا گفته میشود. در حالت عادی مقاومت و خواص دیگر رفتاری همانند یک فلز معمولی دارند، در حالیکه در حالت ابررسانا بسیاری از خواص فیزیکی از جمله مقاومت کاملاً متفاوت هستند]44[.
2-2- معرفی ابررسانایی
در سال 1908 هایک کامرلینگ اونس84 هلندی در دانشگاه لیدن85 موفق به تولید هلیوم مایع گردید و بااستفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یک درجه کلوین برسد. یکی از اولین بررسی هایی که اونس با دسترسی به این درجه حرارت پایین انجام داد، مطالعه تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات برحسب درجه حرارت بود. چندین سال قبل از آن معلوم شده بود که مقاومت فلزات وقتی دمای آنها به کمتر از دمای اتاق برسد کاهش پیدا می کند، اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل یابد، مقاومت تا چه حد کاهش می یابد. اونس که با پلاتینیوم کار می کرد متوجه شد که سرد شدن نمونه با اندکی کاهش در مقاومت الکتریکی آن همراه است که متناسب با خلوص نمونه متغیر بود. در آن زمان خالص ترین فلز قابل دسترس جیوه بود و اونس در تلاش برای بدست آوردن رفتار فلز خیلی خالص، مقاومت جیوه خالص را در دماهای مختلف اندازه گرفت. در سال 1911 وی دریافت که در درجه حرارت خیلی پایین، مقاوت جیوه تا حد غیرقابل اندازه گیری کاهش می یابد که البته موضوع شگفت انگیزی نبود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیر منتظره به نظر می رسید. او مشاهده نمود هنگامی که درجه حرارت جیوه به سمت صفر مطلق تنزل داده می شود، کاهش آرام مقاومت ناگهان در حدود 4 درجه کلوین با افت بسیار بزرگی مواجه شده و پایین تر از این درجه، جیوه هیچ مقاومتی از خود نشان نمی داد. همچنین این گذار ناگهانی به حالت بی مقاومتی فقط مربوط به خواص فلزات نمی شد و حتی در جیوه ناخالص نیز اتفاق می افتاد. اونس به این نتیجه رسید پایین تر از 4 درجه کلوین، جیوه به حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملا به حالتهای شناخته شده قبلی متفاوت بود رسیده است، این حالت تازه ابررسانایی86 نام گرفت]9[.
اونس در ادامه آزمایشهای خود نتیجه گرفت با افزایش دما می توان خاصیت ابررسانایی را از بین برد و جسم را از حالت ابررسانایی به حالت عادی انتقال داد. خاصیت ابررسانایی به سه فاکتور دما، شدت جریان عبوری و میدان مغناطیسی وابسته است، پس عامل دیگری که در تغییر خصوصیت ابرسانایی فلزات تاثیر دارد چگالی جریان عبوری است ]45[.این چگالی را چگالی جریان بحرانی87 (Jc) می نامند که شامل دو جریان است. یکی جریانی که از چشمه ای خارجی وارد نمونه می شود و دیگری جریانهای استتار است که نمونه را در مقابل میدان مغناطیسی اعمال شده حفاظت می کند. بدلیل همین چگالی جریان بحرانی است که وقتی ابررسانا تحت تاثیر میدان مغناطیسی بزرگی قرار گیرد به حالت عادی بازمی گردد. نابودی ابررسانایی با افزایش میدان مغناطیسی یکی از مهمترین خواص ابررساناهاست. چگالی شاری که در صورت افزایش بیشتر، فلز خصوصیت ابررسانایی را از دست می دهد، چگالی شار مغناطیسی بحرانی (Bc) می نامند و غالبا بجای آن از شدت میدان مغناطیسی88 (Hc) استفاده می شود. میدان مغناطیسی بحرانی به دما بستگی دارد و از مقداری مانند H0 در دمای نزدیک صفر مطلق به مقدار صفر در دمای بحرانی کاهش می یابد. به سبب پژوهش هایی که اونس در مطالعه خواص ماده در دماهای پایین، مایع کردن هلیوم و کشف ابررسانایی انجام داد، جایزه نوبل 1913 به او تعلق گرفت]46[.
2-3- تاریخچه ابررسانایی
در سال 1908، یعنی 13 سال پس از کشف گاز هلیوم، اونس توانست گاز مذکور را به مایع تبدیل نماید. با توجه به اینکه نقطه جوش هلیوم مایع K˚2/4 است، او قادر بود هدایت الکتریکی فلزات را تا دمای مزبور اندازه گیری نماید و همین امر سبب گردید که در این باره آزمایشاتی انجام دهد. از سال 1910 به بعد با توجه به امکانات محدود اونس، آزمایشهایی به منظور اندازه گیری مقاومت الکتریکی فلزات در دماهای پایین آغاز کرد و در سال 1911 مشاهده نمود حلقه جیوه داخل ظرف محتوی هلیوم – مایع، در دمای K˚2/4 بطور ناگهانی تا صفر کاهش می یابد]47[.
در سال 1933 دمای بحرانی تا K˚10 افزایش یافت، در همین زمان مایسنر89 و اوکسنفلد90 نشان دادند که ابررساناها بشدت دیامغناطیس هستند و در حالت ابررسانایی با وجودیکه خطوط میدان مغناطیسی به داخل یک ابررسانا نفوذ نمی کنند و بوسیله آن کاملا دفع نمی شوند، ولی در واقع میدان مزبور تا عمق بسیار کمی بداخل ابررسانا نفوذ می کند و جریان های پوششی را بوجود می آورد که میدان مغناطیسی حاصل از آنها، در مقابله با میدان خارجی بوده و باعث می گردد که ابررسانا خاصیت دیامغناطیسی پیدا کند ]48[.
در سال 1934 اولین مدل برای توجیه علمی پدیده ابررسانایی توسط گورتر91 و کاسمیر92 پیشنهاد گردید در این نظریه که به مدل د

مطلب مرتبط :   پایان نامه با کلید واژه هایفلزی، تغییر، میله

دیدگاهتان را بنویسید