شرح لطرق تصنيع النانو

Posted by أحمد يوسف أحمد علي بكر on 11:36:00 م in مقالات حول النانوتكنولوجي | 12 comments

طرق تصنيع النانو:
يوجد هناك طريقتين لإنتاج المواد النانويه الأولى تبدأ من bulk (المواد في حالتها الطبيعية عندما تكون صلبة ) بعد ذلك يتم تكسيرها أو تصغيرها حتى تصل إلى قطع صغيرة جدا ( لدرجه النانو) بإستخدام الطرق الميكانيكية أو الكيميائية ..... وهذه الطريقة تسمى ( top-down ) من الأعلى للأسفل وعكس هذه الطريقة وهي الطريقة الثانية لإنتاج المواد النانوية والتي تبدأ من الذرات أو الجزيئات ليتم فصلها عن بعض ثم تجميعها باستخدام التفاعلات الكيميائية أو باستخدام طريقة تبادل المواد ( أي مادة تتشكل منها مادة أخرى ) وهذه الطريقة تسمى ( bottom-up ) من الأسفل إلى الأعلى وفي الأعلي صورة توضيحية مبسطة لهاتين الطريقتين فإن أتجهت من أعلي لاسفل فهذه الطريقة الأولى و ان أتجهت من أسفل لاعلي فهذه الطريقة الثانية.

ومعظم المصنعين يهتمون بالتحكم في :
1 - حجم الجزيئات: ( particle size ) فالحجم مهم عندما تتعامل مع المواد النانوية فمثلا السيليكون النانوي عندما يكون حجم الجزيئات 1nm فإن السيليكون يشع أزرق بينما إذا كان حجم جزيئات السيليكون 3nm فإنها تشع في المنطقة الحمراء وما بينها يشع أخضر على عكس المواد عندما تكون bulk فالحجم يكون غير مهم ولا تتغير خصائص المادة اذا اختلاف حجمها .

وفي الأسفل صورة للسيليكون النانوي وهو يشع أحمر عند تعريضه لأشعة فوق بنفسجية . الأولى من اليمين هي عينة السول جل ( sol-gel ) بدون نانو سيليكون فسنلاحظ في الصورة أنها لا تشع والثانية من اليمين هي عينة السول جل في طور الجل ومطعم فيها جزيئات السيليكون النانوية نلاحظ أنها تشع والجزيئات متوزعة بانتظام في العينة والثالثة من اليمين هي عينة السيليكون نانو معلقة في محلول التيتراهيدروفوران وهذه العينة أول من قام بتصنيعها البروفيسور منير نايفة وآخرون والعينة الرابعة هي أيضا عينة السول جل ولكن في طور السائل .

2 - شكل الجزيئات: ( particle shape ) فشكل الجزيئات ( سداسي – كروي – ثلاثي ....) مهم جدا في المواد النانوية فعندما تتغير تتغير معها خصائص المادة .
3 -توزيع الجزيئات: ( size distribution ) فهو مهم جدا في تحديد خواص المواد هل التوزع منتظم أم غير منتظم أو هل هي مستقرة أم غير مستقره ففي الصورة السابقة في السول جل (في طور الجل) نرى أن جميع أجزاء العينة تشع فهذا دليل على أن جزيئات السيليكون متوزعة بانتظام في السول جل لكن مع الأسف بعد عدة أيام نزلت جزيئات السيليكون النانوية إلى الأسفل وأصبح التوزيع غير منتظم والدراسات الآن جارية في جعلها منتظمة ومستقرة .

4 - تركيب الجزيئات: ( particle composition ) .

5 - درجة تجمع الجزيئات: (degree of particle agglomeration ) نلاحظ في الصورة التي في الأسفل ( صورة المجهر الإلكتروني SEM ) تكتل الجزيئات متباعدة ( النقاط البيضاء ) .

ولكن في هذه الصورة نلاحظ الإختلاف في التكتلات

هذه الخمسه نقاط المهمه في تحديد خصائص المواد النانويه والان نبدأ بشيء من التفصيل لطرق تصنيع المواد النانويه وهي ( top-down ) و ( Bottom-up ) .

أولا : طريقة ( top-down )

كما ذكرنا سابقا تعريفها فهي تبدأ من bulk حتى تصل إلى قطع نانوية وهي الطريقه المستخدمه في الصناعه حاليا .
ولكي تصل إلى قطع نانوية نذكر لكم بعض الطرق المستخدمه مثل الطحن (milling ) أو الحك ( الحفر ) (etching) وهذه الطريقة هي الطريقة التي استخدمها البروفيسور منير نايفة في صناعه السيليكون النانوي أو عن طريق الاستئصال بالليزر. وجميع هذه الطرق ممكن أن تتم في بيئة مفرغة أو غير مفرغة ( الهواء الهادي)

ففي بعض هذه الطرق تكون الجزيئات النانوية حساسا جدا( أي سريعة التفاعل) وتميل إلى أن تتكتل وتتجمع مع بعضها البعض ( وبذلك يكبر حجمها ونحن لا نريد ذلك بل نريد تصغيرها ) لذلك يستحسن استخدام غاز لكي يكسو الجزيئات النانوية ويمنعها من التكتل والتجمع مع بعضها البعض .

1 -طريقة الطحن milling: وهى طريقة ميكانيكية تنتج مواد نانوية على شكل مسحوق ( بودر ) حيث يتم وضع المادة تحت طاقة عالية جدا وطحنها عن طريق كرات مصنوعة من الفولاذ تتحرك إما بشكل كوكبي أو إهتزازي أو رأسي كما في الشكل التالي

ويمكن صنع بودرة يصل حجمها من 3 إلى 25 نانو متر وهذه صورة أحد أجهزة الطحن المستخدمه في صناعه النانو

2 - طريقة الحك أو الحفر (etching ) : وهذه الطريقة استخدمها البروفيسور منير نايفة لإنتاج جزيئات السيليكون النانوية وتكون إما بطرق كيميائية أو بطرق إلكتروكيميائية فالطريقة الكيميائية يتم أخذ شرائح سيليكون ذات سمك نحيف جدا ووضعها في مواد كيميائية مثل HF (ومواد أخرى ) الذي يقوم بحك شرائح السيليكون ثم تخرج جزيئات السيليكون فتكون على السطح ثم توضع هذه الشرائح في أي محلول تريد مثل التيترا هيدروفوران أو الميثانول أو ..... بعد وضعها في المحلول الذي تريده تقوم بوضعها في جهاز الموجات فوق الصوتية لكي تسقط جزيئات السيليكون في المحلول وتتعلق في المحلول ( انظر لشكل المحاليل في الأعلى ،العينة الثالثة من اليمين ) هي عبارة عن جزيئات سيليكون نانوية معلقة في محلول التيتراهيدروفورانTHF ويستحسن وضع شرائح السيليكون في محلول ( THF أو الإيزوبروبانول ISO أو ... لأنه دلت الدراسات على أن الجزيئات تكون أكثر استقرار في هذه المحاليل ) وهذه صورة المجهر الإلكتروني SEM لشرائح سيليكون نانويه .

الشريحة A عبارة عن شريحة سيليكون لم تتعرض للحك أما الباقي بعد التعرض للحك
3 - الطريقة الإلكتروكيميائية : حيث يتم وضع شريحة السيليكون في القطب الموجب وشريحة بوليكاربونات في القطب السالب وتعريضها لتيار كهربى ويكون هذا بعد وضعها في محلول كيميائي مكون من مواد كيميائية تساعد على الحك الذي بدورة يخرج جزيئات السيليكون النانوية كما في الشكل التالي

4 - طريقة الاستئصال الليزري : يتم استخدام ليزر نبضي ذو طاقة عالية مركز على هدف صلب وموضوع في غرفة مفرغة من الهواء فيتفاعل شعاع الليزر مع الهدف فتتطاير الجزيئات مكونة بلازما وتترسب على القاعدة وتتكون أفلام رقيقة كما في الشكل التالي

وكانت أول مرة قد استخدمت فيها هذه الطريقة في عام 1960 باستخدام ليزر الياقوتي إلا أن الأفلام الرقيقة المنتجة كانت ملوثة ومع الابحاث تم تحسين هذه الطريقة .
5 - طريقة التتفيل (Sputtering ) : وتستخدم في صنع الأفلام الرقيقة حيث توضع المادة تحت ضغط منخفض جدا مفرغ من الهواء وبقاعدة باردة معرضة لمجال مغناطيسي كل هذه العوامل تؤدي إلى ان الجزيئات تنتزع من المادة ( أو تتفل ) لتترسب في القاعدة لتكون فيلم رقيق ولا بد من وضع غاز لكي يمنع التكتلات وهذا الشكل يوضح ذلك

وهذه صورة جهاز sputtering

ثانيا : طريقة ( Bottom-up )

كما ذكرنا سابقا هذه الطريقة تبدأ من أسفل لاعلي أي من الذرات فيتم فصلها ثم تجميعها لتصل إلى درجه النانو ومن الطرق المستخدمة لذلك :
1 - طريقة السول - جل ( sol-gel ) وهى تمر بطورين طور السائل (sol ) ثم بعد فترة تتبخر المادة لتتحول إلى طور الجل ( gel ) ولذلك سميت هذه الطريقة طريقه السول - جل
2 - طريقة Aerosol وهذه نفس طريقة السول جل إلا أنها تبدأ بطور الغاز وتنتهي بطور السائل .
3 - طريقه ( CVD ) أختصارا الي Chemical vapour deposition .
الموضوع مقتبس من منتدي النانوتكنولوجي .