اثر نشر ميداني الکتروني در فيلم نانولوله‌هاي کربني

 

چکـيده:  در اين گزارش، به‌طور خلاصه ويژگي‌هاي يک فيلم نانولوله کربني ناشر الکترون بررسي شده و با توجه به نتايج تئوري در نشرميداني فلزات و نتايج تجربي به دست آمده براي نانولوله‌هاي کربني در مقالات و گزارش‌هاي اخير، عناصر مؤثر در يک فيلم مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. در انتها خصوصيات يک فيلم نانولوله‌اي بهينه براي کاربرد در صنعت ارائه مي‌شود شکل 1. نمايش شماتيک غلبه الکترون‌هاي نزديک سطح فرمي بر سد انرژي ا. تئوري مسئله  اثر نشر ميداني الکترون‌ها از سطح يک ماده چگال که اکثراً شامل فلزات مي‌شود، عبارت است از تونل‌زني الکترون از سطح فرمي فلز به درون ناحيه ديگر که معمولاً خلاء است. اين يک پديده کاملاً کوانتومي است و الکترون‌ها از حالات محدود شده فلزي با غلبه بر يک سد پتانسيلي در فصل مشترک فلز با محيط اطرافش، به يک ذره آزاد تغييرحالت مي‌دهند.  اين اثر همان‌طور که از اسمش پيداست در اثر بر همکنش ميدان الکتريکي با فلز، روي مي‌دهد پس در زمره کوانتوم الکترو ديناميک بررسي مي‌شود. تقريب‌هاي نظري در مورد يک جريان نشري الکتروني از يک فلز، به‌طور معمول در يک مدل نيمه کلاسيک صورت مي‌پذيرد، که به نظريه فـولر- ناردهيم [Fowler-Nardheim) [1) مشهور است. (شکل 1)  ميدان اطراف الکترود فلزي تخت به‌صورت تابعي از فاصله و پتانسيل الکتريکي به‌صورت زيرتعريف مي‌شود.    شکل 2. انتشار الکترون‌ها از يک شي نوک تیز فلزي که در ولتاژ V قرار دارد اما وقتي از شيء سوزني شکلي استفاده مي‌کنيم، ميدان در اطراف نوک تيز آن شديدتر است، پس ميدان به شعاع انحناي نوک آن بستگي دارد و رابطه 1 با يک ضريب تشديد ميداني که با شعاع رابطه عکس و با نسبت هندسي ( نسبت ارتفاع به سطح مقطع)، رابطه خطي دارد و نيز به‌طور معکوس با فاصله ‌اندکي تغيير مي‌کند، به‌ صورت زير تصحيح مي‌شود:    چگالي جريان الکترون‌هاي نشر شده به واسطه ميدان از سطح يک فلز سوزني شکل با تابع کار (تابع کار از ويژگي‌هاي ذاتي عنصر است) به وسيه رابطه فـولر- ناردهيم به‌صورت زير داده شده است:    که A وB ضرايب ثابت هستند [7] .  2. اثر نشر ميداني در فيلم‌هاي نانولوله کربني  نمود وضعيت ظاهري نانولوله‌هاي کربني، يعني نسبت طول به سطح مقطع آن و نيز شعاع کوچک انحناي نوک، آنها را بسيار شبيه به سوزن فلزي باريک مورد بحث در بالا مي‌کند و بررسي‌هاي قبل را موجه مي‌سازد. اهميت بررسي نشر الکترون از نانولوله‌هاي کربني به علت کاربرد‌هاي وسيع آن در صنعت پانل‌هاي نمايشي به عنوان تفنگ الکتروني، ارتقاي فناوري ميکروسکوپ‌هاي الکتروني به عنوان نوک در ميکروسکوپ‌هايAFM و حکاکي در سطوح نانو است. مطالعات منتشرشده از سال1995 نشان مي‌دهد [2,3,4] که نشرميداني براي تمامي انواع ساختار نانولوله‌هاي کربني (Armchair,Zigzag,Chiral) به‌طور عالي برقرار است و نشان دهنده استقلال اين اثر از نوع ساختار آنهاست. شکل3. تصاوير نشر ميداني از فيلم‌هایی با نانولوله‌هاي چند ديواره و در ولتاژ يکسان اما با چگالي‌هاي متفاوت (از راست به چپ: کم، متوسط و زياد) [6] اما همين مطالعات، تک ديواره (SWNTs) بودن يا چند ديواره (MWNTs) بودن آنها را به عنوان عاملي مؤثر مورد بررسي قرار داده‌اند [5].  به‌طور کلي عوامل مؤثر در نشر ميداني نانولوله‌هاي کربني به دو دسته تقسيم مي‌شود؛ اول، ساختار ذاتي و ويژگي‌هاي شيميايي منحصر به فرد نانولوله‌ها که به قطر و رفتار سطحي آنها و نيز باز و بسته بودن انتهاي آنها برمي‌گردد. دوم، چگالي و نيز نوع جهت‌گيري آنها بر روي سطح فيلمي که رشد داده شده‌اند. اين زيرلايه مي‌تواند با توجه به نوع کاربرد، سيليکون و طلا و. . . باشد. بررسي روي نمونه‌هاي فراوان نشان مي‌دهد که در فيلم‌هايي که چگالي نانولوله‌ها روي آنها متوسط و نرمال است، نشر الکتروني در ميدان آستانه کمتري صورت مي‌گيرد[6]. شکل (3) به‌خوبي نشان مي‌دهد که فيلم با چگالي متوسط، نشر يکنواخت و واضحي را نشان مي‌دهد که در آن، خطوط، پل‌ها و نقاط بر روي فيلم ساخته شده قابل تمايز هستند  اين نتايج اثبات‌کننده نقش مهم چگالي فيلم و هندسه در ناشران الکترون است. تقويت ميداني يک نشرکننده الکتروني که جريان نشرشده را براي يک ميدان الکتريکي تعيين مي‌کند، تنها به هندسه نشرکننده يعني شعاع انحناي نوک و ارتفاع نانولوله‌ها از زيرلايه بستگي دارد. اما وجود يک چگالي بهينه نانولوله‌اي روي فيلم که در چگالي‌هاي متوسط روي مي‌دهد نشان دهنده فاصله‌اي بهينه بين نانولوله‌هاي ناشر الکتروني است که ما را به الگوي پخش نانولوله‌ها روي زيرلايه‌ها براي کارايي بهتر راهنمايي مي‌کند. اين فاصله تقريباً يک تا دو برابر ارتفاع نانولوله‌هاي کاربردي است که امروزه موضوع تحقيقاتي مهمي براي شرکت‌هاي توليد کننده پانل‌هاي نمايشي (شکل 5 و6) شده است. در شکل (4) مدل شبيه‌سازي شده اين مسئله را مي‌توان ديد و به مقايسه آنها پرداخت. اما عاملي که روي کاربرد آنها تأثير بسزايي دارد، ثابت باقي ماندن اين يکنواختي و شدت نشر الکتروني در طول زمان است که روي طول عمر فيلم‌ها- در مقياس تجاري- مؤثر است. با مقايسه فيلم‌هاي ساخته شده از نانولوله‌هاي تک ديواره و چند ديواره و آزمايش در شرايط يکسان، اين نتيجه حاصل شده است که افت در نشرالکتروني در فيلم‌هاي تک ديواره ده برابر سريع‌تر از فيلم چند ديواره رخ مي‌دهد. [5] اين پديده را شايد بتوان به حساسيت نانولوله‌هاي تک ديواره نسبت به بمباران يوني و پرتويي نسبت داد که چند ديواره بودن، اين ضعف را با پوشش ديوارهاي ديگر حذف مي‌کند و نمي‌گذارد که تعادل ساختاري از بين برود. با توجه به توضيحات داده شده بهترين فيلم نانولوله‌اي، فيلمي است با چگالي متوسطي از نانولوله‌هاي چند ديواره با انتهاي بسته که به‌طور يکنواخت روي زيرلايه‌اي توزيع شده‌اند و با حداقل ولتاژ آستانه الکتريکي، نشر يکنواختي را ايجاد کنند که آخري در صرفه‌جويي انرژي مؤثر است. در شکل (5)، طرح ساده اي از يک نمايشگر نانوتيوپي نشان داده شده است(5) ، نانولوله کربني که انتهاي آن بر روي يک زيرلايه سيليکوني قرار گرفته است توسط ولتاژ الکتريکي تحريک ميشود تا به گسيل الکتروني بپردازد دقيقا همان کاري را که تفنگ الکتروني در نمايشگرهاي عادي انجام ميدهد. الکترونهاي منتشر شده در فاصله بين لايه فسفري و نانولوله شتاب داده مي شوند تا در هنگام جذب بتوانند اين لايه را برانگيخته کنند تا در انتها با ايجاد نورهاي رنگي که ما برروي نمايشگر مي بينيم کار به پايان برسد . 3. نتيجه پارامترهاي موثر در ساختمان يک فيلم نانو لوله اي گسيل ميداني غالبا از نوع هندسي هستند و ما با کنترل شرايط فيزيکي محيط در هنگام رشد نانولوله ها برروي زيرلايه  مي توانيم کيفيت کاربردي و تجاري آن را بهبود ببخشيم . شكل 4. در اين شکل مي‌توان از بالا به پايين تغييرات چگالي را از زياد به کم ديد که حالت چگالي متوسط بهترين بازده نشري را نشان مي‌دهد شكل 5. شماتيك بسيار ساده از يك نمايشگر اثر نشر ميداني نانولوله كربني شکل6. نمايشگر رنگي ساخته پژوهشکده سامسونگ در جنوب سئول در کره جنوبي

نگاشت الگوريتم MRF جهت ارزيابي خطاي سازه هاي الكترونيك مولكولي

در اين بخش نگاشت الگوريتم MRF جهت ارزيابي خطاي سازه هاي الكترونيك مولكولي را بررسي مي كنيم.

نگاشت شبکة تصادفي مارکوف بر روي نانوتيوبهاي کربني، نيازمد 3 المان اساسي عملي است:

§         اتصالات وزن داده شده

§         جمع انرژي گروه

§          حداکثر سازي احتمال

محاسبات الگوريتم فوق مبتني بر بهينه سازي به روش شبكه عصبي است:

اتصالات وزن داده شده، با استفاده از مسيرهاي متعدد نانوتيوبي، به ازاء همان ورودي ولتاژ وزن داده شده عملي، برآورده مي‌شود. علامت وزن، بسته به ولتاژ اعمالي مثبت يا منفي اعمال شده به اتصال، تعيين مي‌شود.

يک مزيت کافي در استفاده از اين مسير وزني اضافي اين است که در جاهائي که تعداد زيادي اتصالات بد وجود دارد، مي‌توانيم با بالاترين احتمال درست، آنها را پيش گوئي کنيم.

محاسبات MRF:

در اين بخش الگوريتم MRF را از ديدگاه محاسباتي بررسي مي‌کنيم.

الگوريتمي عمومي براي يافتن "Site label "هائيکه احتمال شبکه را حداکثر کنند به نام "Belief Propagation" (BP) ناميده مي‌شوند و مهيا ساز يک ابزار مؤثر براي حل مسائل استنتاجي از طريق گسترش احتمالات[4] مرزي از طريق شبکه عصبي است. در اين جا سه تابع اساسي احتمال وجود دارد:

احتمال گره

احتمال مرزی

احتمالات مشروط [5]

ايدة اصلي Belief Propagation عبارت است از:

 احتمال Lable هاي پايه در يک حالت پايه در شبکه عصبي که از طريق محاسبة احتمال نهائي (جمع زدن) بر روي احتمال براي گره های پايه، داده شده فقط براي احتمالات "Site Label" هاي همسايگي Markov ، Ni که در شکل زيرنشان داده شده است (مثلاً node ها را مي‌توان به عنوان مدارهاي نانومقياس input/output در نظر گرفت)

مي‌توان نود ها را در شبکه طبقه‌بندي کرد به گونه‌اي که هر يک داراي برچسب احتمال معين باشند و نيز آنهائي که مقادير آن‌ها از طريق الگوريتم تکثير، تعيين مي‌شود.

نودهاي نوع اول از طريق يک ورودي محاسباتي که مقدار آن مقيد به setup مسأله است.

 چنین نودهائي به نام «نودهاي قابل مشاهده[6]» ناميده مي‌شوند و ساير نودها به نام «نودهاي پنهان[7] » ناميده مي‌شوند. ما به احتمالاتي استناد مي‌کنيم که به صورت تقريبي محاسبه مي‌شوند و به عنوان "belief" مي‌ناميم و belief در نود i ام را بصورت b(x_i) نشان مي‌دهيم.

در روش MRF، نودهاي قابل مشاهده موسوم به y_i ، ثابت فرض مي‌شود و x_i معرف نودهاي پنهان است.  همان است. سپس فرض مي‌شود که تعدادي وابستگي آماري بين x_i و y_i در هر موقعيت i ام وجود دارد و  به عنوان «احتمال گره» ناميده مي‌شود. تابع فوق اغلب به عنوان evidence براي x_i خوانده مي‌شود.

براي آنکه قادر باشيم استناد کنيم به هر چيزي در حوزة معماري کامپيوتر نانوئي، مجبوريم تعدادي ساختار پايه x_i داشته باشیم. ساختار x_i فرض شده را رمز مي كنيم با اين فرض که متغير x_i مي‌بايستي تا جائيکه مقدور است با متغيرهاي همسايگي x_j ، سازگار باشد که آن را با تابع سازگاري نشان مي‌دهيم که مي بايستي فقط موقعيت‌هاي همسايه را به هم مي‌پيوندد. سپس تابع توزيع احتمال گره به ازاء متغيرهاي مجهول x_i که به صورت زير است را اعمال مي كنيم:

که در آن z يک ثابت نرمال شده است.

اين احتمالات محاسباتي، قابليت تکثير در گام بعدي محاسبات را برآورد مي‌کند. اثبات شده است که اين الگوريتم تکثير به حداکثر احتمال اختصاص يافته به کل شبکه همگرا خواهد شد و در آن هيچ چرخه  اي بيروني وجود ندارد. اين الگوريم افزايشي،« پيچيدگي محاسباتي» در مرتبه تعداد نودهاي موجود در شبکه با يک جملة وزن دهنده به نسبت ابعاد همسايگي دارد. در مورد چرخه ها، احتمالات مي‌بايستي به صورت ترکيبي  بر روي حوزه شبکه انجام شود که متضمن راه حلهاي مبتني بر حداکثر احتمال است. يعني اينکه، مي‌بايستي شبکه به بلوکهاي شبکه‌اي loop – free که هر يک به صورت دروني داراي loop هستند، تقسيم شود. به هر حال، نشان داده شده است که الگوريتم تکثير Belief، به حداکثر حالت احتمال در حضور Loopها، همگرا خواهد شد.

منبع:http://www.nano.ir

منابع انرژي کوچک شده

ترانزيستورها که ظهورشان به سال 1947 برمي‌گردد، اکنون بسيار کوچک‌تر شده، از وسايلي بدترکيب به ارتفاع نيم اينچ، مبدل به تجهيزاتي شده‌اند که قطعات آنها ابعاد حيرت‌آوري به اندازه چند صد اتم دارند. از طرف ديگر، باتري‌ها نيز ميزان توليد انرژي خود را آن هم در يک پنجاهم اين فضا، افزايش داده‌اند.
شرکت آزمايشگاه‌هاي بِل (Bell Laboratories) که روزي سازنده اولين نسل از ترانزيستورها بود، در حال حاضر در تلاش براي ابداع مجدد نسل جديدي از باتري‌هاست. هدف اين شرکت آن است که در توليد انبوه باتري‌هايي که مي‌توان آنها را به همراه شبکه‌اي از مدارهاي الکتريکي ديگر بر روي يک تراشه قرارداد، از روش‌هاي ساخت ترانزيستورها بهره گيرد. اين وسيله که نانوباتري ناميده مي‌شود، ويژگي‌هاي الکترودها را در مقياسي نانومتري، کوچک و متمرکز خواهد کرد.
طراحي نانوباتري‌ بگونه‌اي است که آن را حداقل به مدت 15 سال در خفا نگه داشته، شايد در اين مدت فقط از آن به عنوان منبع انرژي حسگرهايي که تشعشعات راديواکتيويته را پايش کرده يا مواد شيميايي سمي را رديابي مي‌کنند، استفاده شود. بعد از گذشت اين مدت، اين باتري‌ها ظاهر شده و به سرعت مبدل به يک منبع بزرگ انرژي خواهند شد. اين ايده به توليد اولين باتري‌هايي منجر مي‌شود که قادرند با خنثي نمودن مخلوط مواد شيميايي سمي داخل خود، خود را تميز نمايند.
رشد نانوسبزه‌ها 
منشأ پيدايش نانوباتري‌ها به اقبال جدي آزمايشگاه‌هاي بِل به فناوري نانو در چند سال اخير بر‌مي‌گردد. در پاييز 2004 لوسِنت (Lucent)، شرکت مادرِ آزمايشگاه‌هاي بِل ، با همکاري دولت محلي و مؤسسه فناوري ايالت نيوجرسي به دنبال فراهم نمودن مقدمات تأسيس کنسرسيوم فناوري نانو در اين ايالت بود.
ايده لوسِنت اين بود که خدمات پژوهش، توسعه و مدل‌سازي اوليه اين شرکت، از طريق اين کنسرسيوم در اختيار متخصصان فناوري نانو در صنايع، دانشگاه‌ها و سازمان‌هاي دولتي قرار‌ گيرد. ديويد بيشاپ Bishop)David) معاون پژوهش‌هاي فناوري نانو در آزمايشگاهاي بِل، برگزاري همايش‌هايي را براي متخصصان اين شرکت آغاز کرد تا آنها بدين وسيله ايده‌هاي خود را در مورد اينکه چگونه پژوهش‌هايشان مي‌تواند کاربردهاي جديدي را براي اعضاي کنسرسيوم ياد شده به وجود آورد با هم درميان گذارند.
تام کروپنکين (Tom Krupenkin) که يکي از ارائه کنندگان اين همايش‌ها بود، فعاليت‌هايي در مورد ريز عدسي‌هاي مايع که هم اکنون در تلفن‌هاي دوربين‌دار کاربرد دارند، انجام داده بود. اين عدسي‌ها متشکل از قطرات ريزي هستند که قادرند شکل و خواص کانوني خود را در پاسخ به اعمال ولتاژ الکتريکي بر سطحي که با آن در تماسند، تغيير دهند. اين سطوح که سطوح ترشونده الکتريکي ناميده مي‌شوند، در پاسخ به اعمال ولتاژ الکتريکي، از سطوحي بسيار آب‌گريز (Superhyrophobic) به سطوحي آب‌دوست (Hydrophilic) تبديل مي‌شوند. 
آب‌گريزي شديد همان خاصيتي است که لغزيدن قطرات باران از پرهاي مرغابي و برگ‌هاي نيلوفر آبي را سبب شده و در نتيجه مانع از خيس شدن اين سطوح مي‌شود. قطرات مايع به دليل وجود کشش سطحي، تمايل به گلوله‌شدن دارند اما با اعمال نيروي جاذبه از سطحي که بر روي آن قرار دارند، به سرعت پخش مي‌شوند. آب بر روي چنين سطوح آب‌دوستي مانند شيشه پخش مي‌شود، اما بر‌روي سطوح آب‌گريز کاملاً به شکل گلوله درآمده و به هيچ وجه تعاملي با اين سطوح ندارد.
کروپنکين بر اساس رفتار قطرات کوچک مايع بر روي سطوح آب‌گريز، چنين استدلال کرد که ترشدگي الکتريکي (الکترووِتينگ) را مي‌توان براي کنترل واکنش‌هاي شيميايي به ‌خدمت گرفت. او طرحي را شامل چند رديف‌ از ستون‌هاي بسيار آب گريز با قطر نانومتري که خاصيت ترشدگي الکتريکي (الکترووتينگ) هم داشتند، ترسيم نمود. اين ستون‌ها در زير ميکروسکوپ به منطقه‌اي از نانوسبزه‌هاي يکنواخت بريده شده، شباهت داشتند. اين نانوسبزه‌ها را مي‌توان بوسيله روش‌هاي معمول در صنايع ميکروالکترونيک به وجود آورد. دانشمندان با اعمال ولتاژ بر روي مايعِ قرارگرفته بر روي اين ستون‌ها، قادرند واکنشي را به وجود آورند که آب گريز شدن آنها را به دنبال داشته باشد. در نتيجه اين تغيير وضعيت، قطرات مايع در حد فاصل بين نانوستون‌ها به سمت پايين نفوذ خواهند کرد. بنابراين اين مايع قادر خواهد بود که با هر 

نانوسبزه اي متشکل از ستونهايي با قطر 300 نانومتر . ايده اي کاملاً جديد در مورد باتري‌ها. اين ساختارها تا موقع راه اندازي و استفاده از باتري، مايع الکتروليت را بالاي نانوسبزه نگاه مي‌دارد.

ترکيبي که در انتهاي ستون‌ها قرار مي‌گيرد، وارد واکنش شود. کروپنکين از اين موضوع نتيجه گرفت که اين مايع را مي‌توان براي توليد انرژي در نانوباتري‌ها به خدمت گرفت.
باتري‌ها اساساً رآکتورهاي شيميايي هستند. يک باتري يکبارمصرف از دو الکترود غوطه‌ور در مايع الكتروليت، يکي آند و ديگري کاتد تشکيل شده است. ترکيبات موجود در هر دو الکترود از طريق الکتروليت با هم واکنش مي‌دهند تا الکترون و جريان الکتريکي توليد کنند. اما مشکل اينجاست که اين واکنش‌ها زماني که باتري به وسيله‌اي وصل نيست و بلااستفاده است، نيز رخ مي‌دهند. يک باتري متوسط در هر سال 7 تا 10 درصد انرژي خود را زماني که از آن استفاده نمي‌شود، از دست مي‌دهد. 
در باتري‌هاي موسوم به باتري‌هاي ذخيره، براي جدانمودن الکتروليت از الکترودها در زمان غيرفعال بودن آنها، از موانعي فيزيکي استفاده مي‌شود. اين کار از انجام واکنش‌هاي شديد الکتروشيميايي که منجر به آزاد شدن انرژي زياد مي‌شود، جلوگيري مي‌کند. مشکل مکانيکي اين جداسازي، بزرگ و زمخت شدن باتري‌هاست؛ در نتيجه از آنها عمدتاً در موقعيت‌هاي اضطراري نظير واحدهاي مراقبت‌ ويژه يا اتاق عمل بيمارستان‌ها يا مصارف نظامي نظير دوربين‌هاي ديد در شب يا روشن‌سازي ليزري، مي‌توان استفاده کرد. به کارگيري نانوسبزه‌‌ها، کوچک‌تر کردن باتري‌هاي ذخيره را نيز بسيار آسان‌تر مي‌کند. بر اساس توضيحات کروپنکين، دانشمندان قادرند باتري‌هايي را طراحي کنند که در آنها به جاي اينکه کليه مواد شيميايي در آنِ واحد واکنش کنند، فقط بخشي از ميدان نانوسبزه‌ها فعال شده و در واکنش شرکت نمايد.
آزمايشگاه‌هاي بِل، بازاريابي و فروش ايده نانوسبزه را آغاز كرده است. بيشاپ مي‌گويد لوسِنت گرچه يک شرکت توليد باتري‌ نيست اما مي‌خواهد كه آن را متحول کند. در همايشي که در اواخر سال 2003 برگزار شد، مسئولين شرکت ام‌فازmPhase) ( مطلبي که لوسِنت در مورد باتري‌هاي مبتني بر فناوري نانو ارائه داد را شنيدند. استيو سيمون(SteveSimon) معاون اجرايي مديريت مهندسي، پژوهش و توسعه اين شرکت از آن روز چنين ياد مي کند: ”ما اتاق را ترک کرديم و گفتيم خداي بزرگ!، ايده تکان دهنده‌اي بود.“ در آن زمان ام فاز يک شرکت توليدکننده تجهيزات خطوط مشترک ديجيتالDSL) ويدئويي) و باند عريض خانگي بود. 
گسترش سريع بازار سخت‌افزارهاي مخابراتي، ران دوراندو (Ron Durando)، رئيس هيئت مديره ام‌فاز، را بر آن داشت که اين شرکت را به يک تأمين کننده فناوري نانو مبدل کند. او به ويژه توليد وسيله‌اي را مدنظر داشت که توسعه آن مدت زيادي طول نکشد، کاربردهاي پزشکي نداشته باشد تا براي تکميل آن منتظر جواب آزمايش‌هاي باليني نماند و در نهايت در خدمت بازاري نظامي باشد که تامين هزينه‌هاي زياد تجهيزات فناوري نانو را در مراحل اوليه توليد، تقبل کند. به عقيده سيمون نانوباتري‌ها هرسه ويژگي‌ فوق را دارا هستند.
طرح يک نانوباتري
نانوغشاي آزمايشي ساخته شده شرکت ام‌فاز و آزمايشگاه‌هاي بِل ، الکتروليت را از الکترودهاي مثبت و منفي (آند و کاتد) جدا مي‌کند. اين کار افزايش عمر باتري را به دنبال دارد. وقتي که از باتري استفاده نمي‌شود (شکل بالا) آند روي و کاتد دي‌اکسيد منگنز به صورت قطعه‌هاي مجزا از هم در کف باتري قراردارند. در بالاي آنها يک غشاي لانه زنبوري حفره دار از جنس سيليکون قرار دارد که با لايه‌اي از دي‌اکسيد سيليکون و پليمر فلوئورکربن پوشيده شده و بالاي اين غشاء محلول الکتروليت کلريد روي قرار گرفته است. در هنگام استفاده از باتري (شکل پايين) الکتروليت از غشاي لانه زنبوري نفوذ کرده و قطعه‌هاي آند و کاتد را در برمي‌گيرد، به محض برقرار شدن ارتباط بين آندها و کاتدها به وسيله مايع الکتروليت، واکنش‌هاي بين آنها براي توليد الکتريسيته آغاز مي‌شوند.
در مارس 2004، ام‌فاز توافق‌نامه توسعه مشترکي را براي توليد تجاري نانوباتري‌ها با لوسِنت به امضا رسانيد. ‌در حالي که اين شرکت به دنبال تحقيق در اين مورد بود که مشتريان بالقوه اين باتري‌ها، براي توليد وسايل و تجهيزات سودآور چه انتظاراتي دارند، شرکت لوسِنت اين فناوري را در عوض دريافت حق امتياز، اجازه استفاده از يک اتاق تميز به ارزش450 ميليون دلار (اتاق تميز محيطي عاري از هرگونه باکتري و گرد غبار است که از آن در توليد تجهيزات دقيق و حساس الکترونيکي و هوا فضا استفاده مي‌شود. م) و دسترسي به دانشمنداني با سالها تجربه در زمينه ساخت و توليد سيليکون ، به ام فاز واگذار نمود.
شروع به کار
تا سپتامبر 2004، دانشمندان براي توليد جريان الکتريسيته در آزمايشگاه‌هايشان تنها يک الگوي عملياتي در اختيار داشتند. اين گروه براي دستيابي به نمونه اوليه اين الگو، مجبور بودند ستون‌هاي سيليکوني با قطر تقريبي 300 نانومتر و فواصلي به اندازه دو ميکرون، به وجود آورند. آنان براي توليد الکتريسيته، همان ترکيباتي را به کارگرفتند که در باتري‌هاي قليايي معمولي وجود دارند، يعني فلز روي به عنوان آند و دي اکسيد منگنز به عنوان کاتد. بستر سيليکوني که اين ستون‌ها روي آن قرار مي‌گرفتند با فلز روي و خود ستون‌ها نيز با دي اکسيد سيليکون پوشيده شده‌ بودند. اين کار به پژوهشگران 

امکان مي‌داد که ولتاژ باتري را کنترل نمايند. سرِ نانوستون‌ها نيز با لايه اي از مواد فلوئورکربن شبيه تفلون پوشيده شده بود. اين کار باعث مي‌شد که اين ستون‌ها از خود رفتار ترشدگي الکتريکي (الکترووِتينگ) نشان دهند.
کروپنکين تأکيد مي‌کند كه انجام چنين کارهايي‌ که ساده به نظر مي‌رسند، در عمل مشکل است. نشاندن فلز روي فقط در قسمت کف باتري، اشکالات بزرگي را يکي پس از ديگري سبب مي‌شد. دانشمندان معمولاً براي نشاندن اين فلز در اين مکان‌هاي به خصوص از فرايند آبکاري الکتريکي (Electoplating) استفاده مي‌کنند. اما اين فرايند در مورد اکسيدهايي مانند دي اکسيد سيليکون موجود در تجهيزات مبتني بر نانوسبزه، کارايي ندارد. بنابراين بايد روشي ابداع نمود که بستر سيليکوني را عاري از دي اکسيد سيليکون کرده، امکان نشاندن فلز روي را بر آن فراهم کند و در عين حال سيليکون موجود در پوشش ستون‌ها، دست نخورده باقي بماند. راه حل عبارت بود از پوشاندن بستر سيليکوني و ستون‌ها با اين اکسيد به طوري که لايه پوشش بستر، نازک‌ترين حالت ممکن را داشته باشد. اين اکسيد با استفاده از گاز يونيزه شده طوري از تمامي قسمتهاي باتري زدوده مي‌شد که ستون‌ها‌ي حاوي اين اکسيد و کف باتري عاري از آن باشد.
چون هنوز هم نمي‌شد آبکاري الکتريکي را روي سطوح سيليکوني انجام داد، پژوهشگران با استفاده از روشهاي شيمياييِ تَر (wet-chemistry)، کفِ باتري را با لايه اي از فلزات نيکل و تيتانيوم به عنوان لايه بذري (Seed Layer) پوشش دادند. وجود اين فلزات باعث مي‌شود که فلز روي درحين آبکاري الکتريکي بر روي اين سطح بچسبد. نشاندن فلز روي به طور يکنواخت انجام شد به طوري که حتي برجستگي‌هاي کوچک اين فلز نيز در هيچ مکاني از کف باتري به وجود نيامد و انجام سعي و خطاهاي پرزحمت براي تغيير درجه حرارت، شدت جريان الکتريکي و غلظت مواد شيميايي تا رسيدن به وضعيت مطلوب، لازم نباشد. سيمون خاطرنشان مي‌کند: ”وقتي برمي گردم و به گذشته نگاه مي‌کنم شگفت زده مي‌شوم، انجام اين کار فقط يکسال طول کشيد.“ 
بعد از اينکه دانشمندان به نمونه اوليه‌اي از نانوباتر‌ي‌ها که به درستي عمل مي‌کرد دست يافتند، به گفت‌وگو با مشتريان بالقوه آن پرداختند. اين بحث‌ها رشد سريع اين باتري‌ها را به دنبال داشت. طرح اوليه شبيه به يک ساندويچ بود؛ به طوري که کاتد در بالا، محلول الکتروليت کلريد روي در وسط، نانوسبزه‌ها در زير الکتروليت و آند در کف باتري قرار داشتند. مقامات رسمي آزمايشگاه پژوهشي ارتش آمريکا در آدلفي مريلند در مورد اينکه شايد تماس مستقيم بين الکتروليت و هريک از الکترودها به بروز واکنش‌هاي شيميايي ناخواسته منجر شود، ابراز نگراني کردند. بعد از بازنگري طرح اوليه، الکتروليت در بالا، کاتد و آند به صورت قطعه‌هاي جداي از هم درکف، و يک غشاي نانوسيليکوني در وسط باتري قرار داده شد. در اين صورت وقتي باتري به کار مي‌افتد، الکتروليت از اين غشا نفوذ کرده و الکترودها را در برگيرد.
گروه دانشمندان، در ابتدا براي جداکردن الکتروليت از آند، از نانوستون‌ها استفاده کردند، چون در اين صورت ستون‌ها حداقل فضاي ممکن را اشغال کرده، فضاي کافي بيشتري براي انجام واکنش‌ بين الکترودها به وجود مي‌آمد. اما مشکل بودن طراحي و ساخت باتري‌هاي نانوستوني، آنان را بر آن داشت که به جاي اين کار، از غشاي لانه زنبوري استفاده کنند. ساخت غشاي ترشونده الکتريکي با حفره‌هاي 20 ميکروني و ديواره‌هاي نازک و شکننده‌اي با پهناي 600 نانومتر هم مشکل بزرگي بود. در ابتدا دانشمندان براي زدودن پوشش دي اکسيد سيليکون از ساختار ظريف لانه زنبوري، از نوعي پلاسما استفاده کردند. سپس دي اکسيد سيليکون را در کوره‌هايي مملو از اکسيژن و دماي تا 1000 درجه سانتيگراد، بر روي ديواره‌هاي لُخت و بدون پوشش حفره‌هاي غشا نشانده، سرانجام کل غشاي لانه زنبوري را با فلوئورکربن پوشش دادند.
پژوهشگران نمونه‌هاي اوليه اين طرح بازنگري شده را در اکتبر 2005 توليد کردند. يکي از بزرگ‌ترين مزاياي اين نمونه آن بود که آنها را هر زمان که نياز به آزمايش ترکيب جديدي از کاتد و آند احساس مي‌شد از انجام کار پر زحمت يافتن شرايط دقيق لازم براي نشاندن يک لايه آندي يکنواخت در وسط جنگل نانوستون‌ها، بي نياز مي‌کرد. در عوض آنها مي‌توانستند به سادگي تکه‌هاي الکترود را بر روي هر نوع سطحي قراردهند. به گفته سيمون در همان زمان، تجارب کسب شده از آبکاري الکترونيکي به آنها کمک کرد که کار ساخت تکه‌هاي موردنظر را راحت‌تر انجام دهند. آزمايشگاه‌هاي بِل و ام‌فاز هم اکنون در حال همکاري با دانشگاه روتگرز در زمينه بررسي ويژگي‌هاي شيميايي نوعي باتري ليتيومي هستند که در دوربين‌هاي ديجيتالي و دستگاه‌هاي تلفن همراه کاربرد دارد.
نانوباتري‌ها شايد به پيدايش منابع انرژي‌اي که به محيط زيست آسيب کمتري مي‌رساند منجر شوند؛ به اين دليل که اين منابع، حاوي ترکيباتي با ويژگي محبوس سازي الکتروليت هستند. به گفته کروپنکين در صورت استفاده از اين باتري‌ها، از نفوذ الکتروليت به زمين ، يا نشت آن به روي سربازان وقتي که مورد اصابت گلوله قرار مي‌گيرند، جلوگيري خواهد شد. سيمون مي‌افزايد به جاي سيليکون از نانوساختارهاي پلاستيکي هم مي‌توان استفاده و راه را براي ظهور نانوباتري‌هاي انعطاف پذير هموار كرد.
به عقيده کروپنکين، دانشمندان به دنبال جايگزين نمودن باتري‌هاي يکبار مصرف معمولي با نانوباتري‌ها نيستند؛ زيرا توليد باتري‌هاي معمولي بسيار کم هزينه است؛ در عوض دانشمندان به دنبال کاربردهاي مخصوص نانوباتري‌ها هستند؛ مثلاً حسگرهايي که از هواپيماهاي نظامي پرتاب مي‌شوند و شايد در طول عمر خود فقط يک يا دو بار از فرستنده‌هاي راديويي خود براي اعلام حضور مواد مزاحم مثل مواد سمي و تشعشعات، استفاده کنند. کروپنکين توضيح مي‌دهد که اين حسگرها اگر چيز جالبي پيدا نکنند طبعاًً چيزي براي مخابره کردن نخواهند داشت ولي اگر چيزي را حس کنند، براي مخابره و اعلام خطر آن به انرژي زيادي نياز خواهند داشت. در عوض، اين انرژي اضافي را مي‌توان براي مخابره اطلاعات در مسافت‌هاي بيشتر توسط تجهيزاتي که تغييرات محيطي را پايش مي‌کنند، به‌ کارگرفت، در نتيجه تعداد حسگرهاي مورد نياز را کاهش داد. از باتري‌هاي ذخيره اضطراري مي‌توان در اعضاي پيوندي، دستگاه‌هاي تلفن همراه، و قلاده‌هاي مخابره امواج راديويي مخصوص حيوانات اهلي نيز استفاده کرد.
پژوهشگران، ساخت مدل قابل شارژي از اين نانوباتري‌ها را نيز مدنظر قرار داده اند. يک پالس جريان الکتريکي مي‌تواند در سرتاسر يک نانوباتري تخليه شده حرکت کرده و موجب گرم شدن سطحي که الکتروليت روي آن قرارگرفته، شود. در نتيجه لايه نازکي از اين مايع بخار شده و قطراتي از آن به نانوساختار برمي‌گردد. کروپنکين معتقد است که حصول به اين هدف به طور نظري ممکن ولي در عمل دور از دسترس است. شرکت انتظار دارد که ظرف دو يا سه سال آينده نمونه‌هايي از اين نانوباتري‌هاي قابل شارژ را براي اولين نوع وفق دهنده‌ها (آداپتورها)، توليد کند. نانوباتري‌ها سرانجام نشان خواهند داد که چگونه منابع انرژي پا به پاي انقلاب کوچک سازي که چند دهه است ديگر صنايع الکترونيکي را به دنبال خود مي‌کشد، حرکت مي‌کنند.

منبع:http://www.nano.ir

الگوريتم«ميدان تصادفي ماركوف» در طراحي مدارهاي نانو

ابزارهاي نانوئي و طراحي مدار:

كوچك‌ سازي پيوسته ابزارهاي الكترونيك ، رشد سريع ميكروالكترونيك و قابليت‌هاي آن را در دهه‌هاي گذشته موجب شده است. اما همان گونه كه ابعاد ابزارها كاهش مي‌يابد و به قلمرو نانو وارد مي‌شود،‌ اين پيشرفت نمي‌تواند ادامه پيدا كند،محدوديت‌هاي فيزيكي ابزارهاي سيليكوني كوچك سازي‌هاي آتي را مشكل كرده است.

 براي چيره شدن بر اين محدوديت‌ها، روش‌هاي نويني براي طراحي ابزارها و مدارها بر مبناي پديدار شناسي‌هاي جديد جهان فيزيك، نظير ابزارهاي تك الكتروني، بلوك‌هاي سازه‌اي نانوتيوبي و مدارهاي اسپينترونيكي،  تحت پژوهش قرار گرفته‌اند. محاسبات بر پاية معماري ابزارهاي نانوئي و پروسه‌هاي طراحي دو چالش جديد را مطرح كرده‌اند كه مي‌بايستي با آنها مواجه شد.

خطاي سيگنال و خطاي سازه

   الف) خطاي سازه: در يك سيستم نانوئي، تعداد كافي ابزارها و تعاملات آنها، شبيه خطاهاي حين ساخت و پس از ساخت آنها است. انتظار مي‌رود كه معماري نانوئي اين ابزارها و خطاي تعاملات در محدودة ده درصد يا بيشتر، بسته به عدم قطعيت ذاتي در خودآرائي، فايق آيد.

اندازة كوچك ابزارهاي نانوئي، همچنين مانع آزمايش پذيري يك سيگنال و اصلاح راهبرد است. ناهنجاري‌ها يا تلرانس خطاهاي سازه‌اي يك پيامد اصلي در طراحي مدارهاي نانوئي است.

   ب) خطاي سيگنال: از آنجائي كه ابزارهاي نانوئي در قيد محدوديت‌هاي حرارتي هستند يعني K_bT.(K_b ثابت بولتزمان و ‌‌T عبارت است از دما). تفاوت انرژي ميان حالت‌هاي منطقي قابل مقايسه با اختلالات دمائي احاطه كننده است، انعكاس عدم قطعيت ذاتي در ترموديناميك، اختلال حرارتي، باعث شكست عمليات عملگر مي‌شود. اين خطاي سيگنال‌ها ذاتاً ديناميك هستند و به عنوان خطاهاي نرمنيز ناميده مي‌شوند.

در اين مقاله راه‌حل‌هاي حاضر براي اين مسائل را بررسي مي‌كنيم:

1- طراحي "مبتني بر احتمال براي محاسبات نانوابزار

اين راهكار مبدعانه توسط R.Iris""" ."J براي محاسبات ابزارهاي نانوئي و مدارهاي نانوئي ابداع شد. اين راهكار مبتني بر ميدان تصادفي ماركوف بود كه به اختصار MRF خوانده مي‌شود.

روش MRF براي طراحي هر مدار منطقي دلخواه مي‌تواند سودمند باشد.

در مدارهاي مبتني بر MRF، عملگرهاي منطقي به وسيلة بيشينه‌سازي احتمال پيكربندي حالت در شبكه‌هاي منطقي به هدف مي‌رسند. اين طراحي مبتني بر احتمال مي‌تواند به صورت ديناميكي با عملكرد در حوزة خطاهاي سيگنالي و ساختاري تطبيق‌پذير شود.

2- نگاشت، اثابت اساس مدارهاي مبتني بر احتمال به درون حوزة ابزارهاي CMOS:

هدف، بكارگيري فيزيكي سازه‌هاي مبتني بر احتمال است. محققان آزمايشگاه ""Binary در دانشگاه ""Brown، مدارهاي آزمايشي مبتني بر تئوري احتمال را براي مؤلفه‌هاي ساده منطقي نظير گيت‌‌هاي معكوس‌ساز و NAND، و مدارهاي ساده‌اي مشتمل بر 5 تا 10 مؤلفة منطقي ابتدائي نظير: مدار ارزيابي ISCAS C 17 را شبيه‌سازي كرده‌اند.

نتايج نشان داد كه مدارهاي مبتني بر احتمال، مي‌توانند در ولتاژهاي تغذيه خيلي پايين (2V.0-1.0) و دستيابي به ايمني خطاي بهتر نسبت به طراحي سيليكوني متعارف،‌ عمل كنند. گروه " عملي سازي اين الگوريتم را بر عهده داشتند.

3- مدلسازي "حامل انتقالطرح پيشنهادي:

كارهاي پژوهشي مهمي براي انجام دادن باقي مانده است تا بر چالش‌هاي تكنيك فايق آييم. نظير: مدل‌سازي رفتار حامل انتقال بر مبناي تئوري انتقال كوانتوم است. در اين راستا،‌ محاسبة تابع گرين سطحي Interface براي اين ابزارهاي مرتبط، مورد نياز است.

با استفاده از مدل« نزديكترين همسايگي اوربيتال‌هاي ، با پيوند محكم» رسانائي كوانتومي سيستم‌هاي متنوع نانوئي، شامل نانوتيوب‌هاي كربني با اتصال «شاخة دوگانه، تحت اثر انتهاي آويزان نانوتيوب‌هاي كربني و گيت‌هاي منطقي اسپينترونيكي مدلسازي مي‌شود.

4- عملي كردن طرح با استفاده از بلوك‌هاي ساختاري نانوئي:

پژوهش‌هاي اولية متمركز شده بر روي ايجاد تكنيك‌هائي به منظور ساخت نانوتيوب‌هاي كربني و تبديل به سيم كردن و قرار دادن آنها در ابزارهاي بيولوژيك، نظير قابليت‌هاي خودشناسائيDNA،بود. آزمايش‌هاي اوليه نشان داد كه چگونه ما مي‌توانيم رشته‌هاي DNA را بر روي لاية ميكا تركيب كنيم. همچنين مي‌توانيم رسانائي DNA را به گونة يك فلز يا سيم نيم‌رسانا، انتخاب كنيم.

روش MRF مدارهاي منطقي دلخواه و عملگرهاي منطقي با حداكثر سازي احتمال پيكربندي يك حالت در شبكة منطقي دلخواه استوار است. حداكثر سازي احتمال حالت، معادل با حداقل سازي يك فرم از انرژي كه بستگي به نودهاي همسايه در شبكه دارد، است. يكباركه ما يك كتابخانه از مؤلفه‌هاي منطقي اساسي را ايجاد كرديم، مي‌توانيم آنها را به منظور ساخت معماري دلخواه با يكديگر تركيب كنيم. روي هم رفته، طراحي مبتني بر احتمال مي‌تواند به صورت ديناميكي جهت كنترل خطاهاي سيگنال و خطاهاي سازه، منطبق شود.

منبع:http://www.nano.ir

نانوفوتونيک: جبهه‌اي مهيج در فناوري‌نانو

اين متن ترجمه اي است از فصل اول کتاب Nanophotonics تأليف Paras N. Prasad که بنابر اظهار نظر انتشارات John Wiley & Sons تنها منبع جامع نانوفتونيک است که در حال حاضر در جهان وجود دارد. بخش هايي از اين فصل که به اطلاعات خود کتاب و نه اطلاعات مربوط به نانوفوتونيک مربوط مي شدند در ترجمه حذف شده اند.

منبع:http://www.nano.ir