تحقیق مقاله جایگاه علم و تکنولوژی لایه های نازک و مهندسی سطح در توسعه نانو تکنولوژی

چکیده

در سالهای اخیر به دلیل اهمیت بنیادی و کاربردهای بالقوه مواد نانوساختاری در علوم شیمی، فیزیک ، زیست شناسی و مواد توجه زیادی به این مقوله معطوف گشته است . تمایل به مینیاتوری کردن ابزار و بالا بردن ظرفیت ذخیره اطلاعات به ویژه در ساخت قطعات الکترونیکی و اپتیکی ، زمینه های تحقیقاتی وسیعی از نانو تکنولوژی را به  بخش مواد نانوساختاری اختصاص داده است .تکنیک های مختلفی برای ساخت نانو ساختارها توسعه یافته است که از علم لایه های نازک نشات گرفته اند و می توان به روش های رشد اپیتاکسی ، لیتوگرافی با باریکه های الکترونی ، رسوب از بخار و روشهای خاص self-Assembly  اشاره نمود . مواد نانو ساختاری  یک گروه جدید از مواد را با خواص متفاوت نسبت به گونه های مولکولی و ساختارهای حالت جامد توده ای ارائه می دهد .این مواد با داشتن اثرات حدی کوانتومی ، رفتار بی همتایی را ایجاد می کنند که می توانند در ساخت دستگاهای جدید اپتیکی ، مغناطیسی ، الکترونیکی ، و ترمو الکتریکی نقش مهمی را ایفا نماید . در این جا سعی می شود رشد علم لایه های نازک و مهندسی سطح در سال های اخیر و تکنولوژی توسعه یافته مرتبط از جمله نانوتکنولوژی مورد بحث قرار گیرد .

مقدمه

علوم نانوبه کلیه پژوهش ها ، بحث ها مطالعات برهمکنشها ، مشاهدات ، اندازه گیری ها و کنترلماده در مقیاس نانو متری اطلاق می شود که در گسترش علوم فیزیک ، شیمی ، مواد ، زیست شناسی و مهندسی تاثیر بسزایی داشته است . علوم نانو دارای پتانسل موثری در تحقیق و تحول علوم و رشد آن ها می باشند .

نانو تکنولوژی به روشی اطلاق می شود که بتوان ابزار و سیستم هایی نظیر نانو مکانیک ، نانو ربات ها ، سنسور ها ، بیو تراشه ها  و ... را با کنترل مواد در مقیاس نانو متری ساخت ، مقیاسی که شامل اتم ، مولکول و ساختارهای مولکولی است . نانوتکنولوزی با به واقعیت رساندن اکتیویته ها و فرایند ها در مقیاس نانو، ساختارهای بزرگتری با نظم مولکولی جدید را توسعه می دهد. براساس این ساختارها ، تحت عنوان نانوساختارها ، ابزاآلات کوچکتری ساخته می شود که خواص و قابلیت های فیزیکی ، شیمیایی و بیولوژیکی جدید را ارائه می دهند . هدف ازعلوم نانو و نانوتکنولوژی شناسایی دقیق این خواص و در نتیجه دستیابی به توان تولید نانو ساختارها و راندمان بالا می باشد. 

نظریه جایگزین شدن مولکول ها یا اتم ها که می تواند به عنوان یک انقلاب علمی محسوب شود درسال 1959 توسط ریچارد فینمن برنده جایزه نوبل ارائه گردیده است.

وی معتقد بود با وجود  فقدان ابزار تجربی هیچ  گونه  مانعی  برای بررسی در ابعاد نانومتری وجود ندارد . حتی قوانین فیزیک هم محدودیتی را اعمال نمی کنند.بنابراین برای رسیدن به ابعاد کوچکتر نیاز به طراحی مجدد دستگاههای تجربی وجود دارد که البته باید در تصحیح و تطبیق پارامتر ها هم تغییر صورت پذیرد . به عنوان مثال نیروی جاذبه پدیده مهمی است اما نیروهای واندروالس و کشش سطحی نقش فوق العاده ای خواهد داشت . شکل 3 تحول تکنولوژی صورت گرفته درقرن گذشته را نشان می دهد . ملاحظه می شود که شروع قرن بیست و یکم یک بازه زمانی شبه پایدار از تکنولوزی نیمه هادی به نانوتکنولوژی می باشد . 

علم لایه های نازک

لایه نازک زیرساختاری است که از نشست لایه های اتمی یک ماده بر روی زیر لایه جامد حاصل می شود . لایه های نازک با ضخامت های بین چند نانومتر تا میکرومتر دارای خواص متفاوتی از مواد بایک می باشند . این تفاوت ها به ویزه در ضخامت های بسیار کم یا در مراحل اولیه رشد مهم جلوه می نماید و اساسا به اجزای میکروساختاری و تجمع صورت گرفته در طول تحول نشست اتم های ازآزاد از فاز گازی به فاز جامد تحت شرایط تعادل ترمودینامیکی بستگی دارد .

درسال های اخیر ، علم لایه های نازک به عنووان یک رشته تحقیقاتی مهم در سراسر دنیا مطرح شده است . اهمیت پوشش ها و سنتزمواد جدید در صنایع سبب جهش ناگهانی در تکنولوژی فرآوری لایه های نازک گردیده است . امروزه این پیشرفت ها با جهش های علمی و تکنولوژیکی صنایع مایکرو الکترونیکی ، اپتیک و نانو تکنولوژی همراه گشته است . تغییرات سریع مورد نیاز درمواد و ابزار متشکل از لایه های نازک، جایگاه های جدیدی در توسعه فرآیند ها ، مواد وتکنولوژی های جدیدی را ایجاد نموده است . شکل 4 ، عناصر اصلی تاثیرگذار برعلم لایه های نازک نشان می دهد .

عمده پیشرفت های صورت گرفته در علم لایه های نازک در صنایع ماکرو الکترونیک می باشد . البته کاربرهای روبه رشدی نیز در لایه های  نازک اپتیکی ، مغناطیسی ، الکتروشیمی ، پوشش های محافظ و تزئینی و کاتالیزورها در حال شکل گرفتن می باشند . بیشتر اکتیویته های لایه نازک در رشته تحقیقاتی جدیدی تحت عنوان مهندسی سطح مطرح می گردد . مهندسی سطح یکی از مهمترین رشته های رشد یافته در سال گذشته بوده است که شامل طراحی و فرآوری لایه های سطحی ، فصل مشترک های داخلی و مشخصه های آن ها می باشد . مهندسی سطح با توسعه لایه های نازک و مشخصه های سطحی مواد ارتباط مستقیم دارد.

تکنولوژی لایه های نازک و نانو تکنولوژی

افزایش تحقیقات علمی به موازات فراهم آوردن کشفیات بشری ، جهش های تکنولوژیکی حاصل از آن یافته ها را نیز به همراه دارد . تکنولوژی ، علم را از طریق استفاده از ابزار آلات علمی و حل مشکلات تحت تاثیر قرار می دهد در حالی علم با تئوری و تعیین پارامترهای  مجزای برهمکنش ها وتاثیرمتقابل آنها سبب توسعه تکنولوژی می شود . نتیجه این فرآیندهای در حال تغییر ، پیشرفت هر دوی آن ها می باشد . در حال حاضر توسعه علمی و تکنولوژیکی باعث رشد علوم نانو و نانوتکنولوژیکی گردیده است .

فاصله بین حل کردن مسائل بنیادی مواد وتوسعه ابزار لایه های نازک جدید در کاربردهای میکرو الکترونیک و نانو تکنولوژی به سرعت در حال افزایش است . به عنوان مثال در بسیاری از کاربردها ، توسعه سیستم لایه های نازک با مشکلات فرآوری و بنیادی مواد همراه است که نیاز دارد در آینده تلاش های زیادی صرف حل آن ها گردد . مثال های واضح در این مورد چسبندگی و پایداری حرارتی و اتمسفری لایه های نازک است . پیشرفت های آ ینده برای از رو برداشتن موانع در جهت مینیاتوری کردن اندازه ابزار در مقیاس نانومتری بسیار بحرانی و حساس است . تحقیقات بنیادی دراین زمینه درحوزه توسعه ابزارتجربی لازم برای مشخصه یابی

In-Situ (for example methods ELLIPSOMETRY,SPM,RHEED,

 بررسی   PLASMA-ASSISED TECHNIQUES) ساختار لایه های نازک و همچنین توسعه تکنیک های نویین سنتز و ساخت می باشد .این تکنیک ها باید قابل اطمینان تر ، ارزان تر و با قابلیت تولید لایه هایی با خواص نو و اصلاح شده باشند .

نانو ابزار های ساخته شده از لایه های نازک

نیازهای ضروری اخیربه ابزارو تکنیک های ساخت که قابلیت توسعه ساختارهایی با ابعاد  0.1تا  50nmرا دارا باشند ، زمینه های تحقیقاتی گوناگونی را فراهم آورده است .)شکل 5(

الف  (صنایع الکترونیک (ترانزیستورها)

   مدارات مجتمع پایه سلیسیومی رشد واقعی ویژه ای را از طریق اختراع و توسعه آن هااز خود نشان داده اند .از ترانزیستور های دو قطبی اولیه در سال 1948، مدار مجتمع صفحه ای در سال1961وهدف اولیهMOSFETدرسال 1964 ، امروزه صنعت نیمه هادی دارای پیشرفتهای تکنیکی با تولید قطعاتی نظیر میکروپرسسورها )با محدوده کاری 1GHzو (بیشتر ،میکروپرسسورهای با بیشتر از صد میلیون ترانزیستور، تراشه های حافظه و غیره می باشد . رشد تکنولوژیکی سریع آنها در سال1965 توسط گوردن مور تحت عنوان قانون مشهور موری پیشبینی شده است که بر این اساس چگالی و عملکرد مدار مجتمع در هر 18 ماه دوبرابر می گردد . پیشبینی وی با پیشرفت های واقعی صورت گرفته در شکل های 6 الی 8 مقایسه شده است . این پیشرفت ها از طریق کاهش ابعاد ترانزیستور ، افزایش چگالی ترانزیستور و فرکانس عملیاتی حاصل گردیده است .

MOSFET    در 40طولسال گذشته از نظر مغیاس رشد قابل ملاحظه ای نشان داده و در صنعت مدارات مجتمع بسیار موفق بوده است . اما محدودیت های مقیاسی و در پی آن محدودیت های تکنولوژیکی مانع از رشد آن ها گردیده است . اگرچه امروزه MOSFET در مقیاس نانو متری تولید می شود ولیکن نانوتکنولوژی محسوب نمی گردد. نانو تکنولوژی قطعات الکترونیکی میتواند تحول عظیمی گردد که MOSFETرا متوقف سازد . در این راستا نانوتکنولوژی نظیر تولید نانوتیوب های کربنی برای ساخت ترانزیستور زمینه تحقیقاتی وسیعی را گشوده است که چگالی ، سرعت ، انرژی و... و سایر نیازمندی های قطعات الکترونیکی را می تواند براورده سازد .

MOSFET=Metal-Oxid-Semiconbuctor Field Effect Transistor

ب (نانو مغناطیس

    توجه زیادی به زمینه مغناطیس از زمان کشف پدیده مقاومت فوق العاده تحت میدان مغناطیسی (GMR) در سال 1988 معطوف گشته است . در این ساختارهای چند لایه، لایه فرومغناطیس با یک لایه غیر مغناطیسی فلزی به ضخامت 1 – 3nm

به صورت مکانیک کوانتومی کوپل می شوند . ساختارهایGMR در هارددیسک ها، RAMو سنسورهابه کار می روند . فرایندهای تجربی متعددی برای ایجاد ساختارها GMRیتوسعه یافته اند که عبارت اند از:

ر سوبدهیکندوپاش مغناطیسی

ا پیتاکسی باریکه مولکولی(MB)

ر سوبالکتروشیمیایی

تحقیقات در زمینه مغناطیس های نانومتری به طور گسترده در حال پیشرفت است .