عصری جدید در الکترونیک با تولید انبوه نانوسیمهای فلزی
در سالهای اخیر، تقاضا برای دستگاههای الکترونیکی کوچکتر، کارآمدتر و سریعتر به طرز چشمگیری افزایش یافته است.
این امر به ویژه در حوزههایی مانند لوازم الکترونیکی مصرفی، انرژیهای تجدیدپذیر و فناوری پزشکی، که پیشرفتها به شدت به کوچکسازی و افزایش عملکرد دستگاهها وابسته است، مشهود است.
در نتیجه، محققان دائماً در جستجوی مواد و روشهای جدیدی هستند که بتوانند انتظارات رو به رشد صنعت را برآورده کنند. یکی از این مواد، نانوسیمهای فلزی (NWs)، به دلیل خواص منحصر به فرد خود، نویدبخش آیندهای قابل توجه است، اما تولید آنها در مقیاس بزرگ چالشهای قابل توجهی را به همراه داشته است.
برای پرداختن به این موضوع، گروهی از دانشگاه ناگویا در ژاپن تکنیکی نوآورانه را توسعه دادهاند که میتواند تولید انبوه NWها را متحول کند و پتانسیل آنها را برای استفاده گسترده در الکترونیک نسل بعدی آزاد کند.
این گروه تحقیقاتی به رهبری یاسوهیرو کیمورا در دانشکده تحصیلات تکمیلی مهندسی دانشگاه ناگویا، روش جدیدی را برای رشد نانوسیمهای فلزی پیشنهاد کردهاند که میتواند تولید انبوه آنها را هم عملی و هم مقرون به صرفه کند.
تاکنون، استفاده از نانوسیمهای فلزی در کاربردهای تجاری به دلیل دشواری تولید آنها در مقادیر زیاد و در عین حال حفظ سطوح بالای کیفیت و خلوص مورد نیاز، محدود شده است.
نانوسیمها فوقالعاده کوچک هستند و به تکنیکهای تولید دقیقی نیاز دارند که ماده را در سطح اتمی دستکاری کنند.
این فرآیند به ویژه در مورد فلزات پیچیده است، زیرا اتمها باید در حالت فاز گازی منتقل شوند، کاری که به دلیل خواص فلزات چالش برانگیز بوده است.
برای مقابله با این مشکل، محققان یک روش پیشگامانه معرفی کردند که از انتشار اتمی در فاز جامد با کمک تابش پرتو یونی استفاده میکند. این تکنیک امکان ایجاد نانوسیمهای آلومینیومی از تک بلورها را به روشی بسیار کنترلشدهتر و مقیاسپذیرتر فراهم میکند.
انتشار اتمی به حرکت اتمها یا مولکولها از مناطقی با غلظت بالا به مناطقی با غلظت کمتر اشاره دارد که توسط تغییرات تنش تحت تأثیر گرما هدایت میشود.
اعمال پرتوهای یونی در طول این فرآیند، دانههای کریستالی را روی سطح یک فیلم نازک آلومینیومی درشت میکند و توزیع تنش را تغییر میدهد.
این تنظیم تنش، جریان اتمها را هدایت میکند که سپس بلوکهای سازنده نانوسیمها را تشکیل میدهند و به آنها اجازه میدهند در مکانهای خاص و هدفمند رشد کنند.
خود فرآیند نسبتاً ساده است و تنها شامل سه مرحله کلیدی است: رسوب یک فیلم نازک آلومینیومی روی یک زیرلایه، تابش پرتوهای یونی به فیلم و اعمال گرما.
پس از اعمال گرما، اتمهای درون فیلم از دانههای ریزتر در پایین به سمت دانههای درشتتر در بالا حرکت میکنند و رشد سریع نانوسیمها را افزایش میدهند.
به گفته کیمورا، این روش جدید به طور قابل توجهی چگالی نانوسیمهای تولید شده را افزایش میدهد. کیمورا اظهار داشت: “ما چگالی نانوسیمهای آلومینیومی را از 2×10⁵ نانوسیم در هر سانتیمتر مربع به 180×10⁵ در هر سانتیمتر مربع افزایش دادیم.” «این دستاورد راه را برای روشهای رشد نانوسیمهای فلزی از پایین به بالا هموار میکند، که تاکنون فقط به صورت تصادفی و در مقادیر کم رشد داده شدهاند. همچنین میتوان آن را به طور اصولی به سایر فلزات نیز تعمیم داد.»
توانایی تولید چنین چگالیهای بالایی از نانوسیمها، امکانات زیادی را برای استفاده از آنها در زمینههای مختلف فراهم میکند.
به عنوان مثال، نانوسیمهای آلومینیومی دارای ویژگیهای مطلوبی مانند مساحت سطح بزرگ، استحکام مکانیکی بالا به دلیل ساختار تک بلوری و مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون هستند که آنها را به کاندیداهای ایدهآلی برای استفاده در دستگاههای حسگر و اپتوالکترونیک تبدیل میکند.
ویژگیهای منحصر به فرد آنها به آنها اجازه میدهد تا به عنوان اجزای حیاتی در دستگاههایی که نیاز به عملکرد بالا در مقیاس بسیار کوچک دارند، عمل کنند.
کیمورا در مورد کاربردهای گستردهتر این فناوری ابراز خوشبینی کرد و خاطرنشان کرد: «ما رشد انبوه نانوسیمهای فلزی شبیه جنگل را تنها با استفاده از سه فرآیند کلیدی محقق کردیم: رسوب فیلم نازک روی یک زیرلایه، تابش پرتو یونی و گرمایش.»
این پیشرفت میتواند پیامدهای قابل توجهی برای صنایعی که به نانوابزارهای با عملکرد بالا مانند حسگرهای گازی، نشانگرهای زیستی و اجزای اپتوالکترونیکی وابسته هستند، داشته باشد.
این دستگاهها به موادی نیاز دارند که بتوانند در عین حفظ عملکرد بالا، فشارهای کوچکسازی را تحمل کنند و نانوسیمهای فلزی به طور ایدهآل برای برآورده کردن این نیازها مناسب هستند.
با این حال، عدم توانایی در تولید نانوسیمها در مقادیر زیاد، مانع بزرگی بوده و کاربرد عملی آنها را محدود کرده است.
کیمورا بر اهمیت غلبه بر این مانع تأکید کرد و اظهار داشت: “تکنیک ما نیاز فوری به ایجاد روشهای تولید انبوه، به ویژه در تولید نانوابزارهای با عملکرد بالا مانند حسگرهای گازی، نشانگرهای زیستی و اجزای اپتوالکترونیکی را حل میکند.”
توسعه موفقیتآمیز این روش نه تنها یک مشکل دیرینه در تولید نانوسیم را حل میکند، بلکه یک رویکرد مقیاسپذیر و کارآمد را ارائه میدهد که میتواند برای سایر فلزات نیز اعمال شود.
محققان معتقدند که این تکنیک میتواند منجر به نوآوریهای بیشتر در صنعت الکترونیک، به ویژه در توسعه دستگاههایی شود که برای عملکرد بهتر به فناوری نانو متکی هستند. همچنان که صنایع با کوچکسازی و مواد پیشرفته، مرزهای ممکن را جابجا میکنند، توانایی تولید انبوه نانوسیمهای با کیفیت بالا میتواند یک تغییر دهندهی بازی باشد.
در نتیجه، تکنیک ابداع شده توسط تیم کیمورا، یک راه حل امیدوارکننده برای مشکل تولید نانوسیمهای فلزی ارائه میدهد و به طور بالقوه پتانسیل کامل آنها را برای استفاده در دستگاههای الکترونیکی نسل بعدی آزاد میکند.
با سادهسازی فرآیند تولید و افزایش چگالی نانوسیمهای تولید شده، این پیشرفت، راه را برای کاربرد گسترده آنها در صنایع مختلف فناوری پیشرفته هموار میکند.
این تحقیق گامی مهم در زمینهی فناوری نانو است و فرصتهای جدیدی را برای نوآوری و پیشرفت ارائه میدهد.
بیشتر بدانید:کشفی که میتواند به افزایش طول عمر دستگاههای الکترونیکی کمک کند
بیشتر بخوانید:برچسب الکترونیکی میتواند مطالعات حیات دریایی را متحول کند
لینک مفید:وسایل الکترونیکی میتوانند روی درختان رشد کنند!
تاریخ:1405/5/12
مهسا نعمتی
