نانوساختارهای اکسید روی
اکسید روی ماده ای سفید رنگ است و یکی از غنی‌ترین نانوساختارها می‌باشد. نانوساختارهای Zno درطول سال های اخیر به خاطر خصوصیات قابل توجه آن ها برای کاربردهای الکتریکی و فتوالکتریکی توجه خیلی زیادی را به خود جلب کرده است.
مصارف زیاد اکسید روی مربوط به عایق بودن آن درمقابل جریان الکتریسیته وهدایت ظرفیت حرارتی زیاد، خاصیت چسبندگی خوب، قدرت پوشش عالی، مقاومت کافی در مقابل پرتوهای ماورای بنفش، داشتن ثابت دی الکتریک متوسط و ضریب شکست بالای آن است. به عنوان نمونه کاربردهای فراوانی در ساخت قطعاتی مانند گسیلنده های نوری فرابنفش، مبدل های پیزوالکتریک، حسگرهای گازی، پنجره های هوشمند، سلول های خورشیدی، استفاده در صنعت چاپ وصنایع رنگرزی دارد. افزودن آلاینده های مناسب می تواند سبب تغییر اندازه گاف انرژی وویژگی های فیزیکی آن شود.
اکسیدروی سه مزیت عمده دارد:
اول اینکه نیمه رسانایی با شکاف باند 3.37ev و میزان انرژی برانگیختگی 0.6میلی الکترون ولت می‌باشد و همچنین نشر نزدیک به ماوراء بنفش دارد. دوم پیزوالکتریک است که در حسگرها و کاهنده‌ها بسیار کاربرد دارد. و در نهایت اکسید روی زیست‌سازگار و ایمن می‌باشد و می‌تواند در کاربردهای پزشکی به‌راحتی و بدون روکش به کار رود. با این خصوصیات ویژه اکسید روی می‌تواند زمینه‌های تحقیقاتی گوناگونی را در آینده ایجاد کند.
ذرات اکسید روی خواصی مانند نیمه رسانایی، پیزوالکتریک و پیروالکتریک از خود نشان می‌دهند. این خواص بی‌نظیر باعث می‌شود که ذرات اکسید روی یکی از غنی‌ترین مواد نانوساختاری باشند. با استفاده از روش تصعید حرارتی فاز جامد- بخار، تحت شرایط ویژه، می‌توان نانوشانه‌ها، نانوحلقه‌ها، نانوفنرها، نانوتسمه‌ها، نانوسیم‌ها و نانوقفسه‌هایی از اکسید روی ایجاد کرد. این نانوساختارها به دلیل داشتن خاصیت زیست سازگاری می‌توانند کاربردهای جدیدی در الکترونیک‌نوری، حسگرها، ترانسفورماتورها و پزشکی داشته باشند.
نانو تسمه ها
هنگامی که در سال 2001 نانوتسمه‌های نیمه‌رسانا کشف شدند تحقیقات بر روی نانوساختارهایی که حداقل دارای یک بعد نانومتری می‌باشند به سرعت توسعه پیدا کرد، زیرا این مواد کاربردهای وسیع و جدیدی در اپتیک، الکترونیک نوری، کاتالیزورها و پیزوالکترویک دارند. نانوتسمه‌های اکسیدی نیمه‌رسانا گروه بی‌نظیری از مواد با ترکیب شیمیایی و ساختارهای بلوری جالب می‌باشند.
استفاده از پودراکسیدروی به عنوان منبع اولیه بدون حضورکاتالیست، نانوتسمه هایی با طول ده ها تا صدها میکرومتر به دست خواهدداد. در مورد تهیه نانوساختارهایی با ضخامتی کمتر مثلا ده نانومتر طبق آنچه که در نانو تسمه ها داریم می توان به کمک پلاریزاسیون به نانو حلقه، نانومارپیچ و... که ناشی از کاهش انرژی حاصل از بارهای قطبی، سطح مخصوص و دفرمه شدن الاستیک است، دست یافت.
نانوتسمه‌ها از اکسیدهای نیمه‌رسانای روی، قلع، کادمیم و گالیم و با استفاده از تبخیر پودرهای تجاری اکسید این فلزات در دمای بالا حاصل می‌شوند. این نانوتسمه‌ها خالص، یک شکل و دارای بلورهای منفرد می‌باشند. ساختار هندسی ویژه این شبه‌تسمه‌ها باعث ایجاد بلورهای اکسیدی نیمه‌رسانا با کاتیون‌هایی با ظرفیت متفاوت و خواص جالب درآنها می‌شود.
ترانزیستورهای اثر میدانی، حسگرهای نانومقیاس بسیار حساس گازها و نانوحامل‌های ساخته شده از نانوتسمه‌های منفرد، نمونه‌ای از آنها می‌باشند. انتقال حرارتی نیز در طول نانوتسمه‌ها اندازه‌گیری شده است. به علت خاصیت پیزوالکتریکی نانوحلقه‌ها، نانوتسمه‌ها و نانوفنرهای سنتزی اخیر می‌توان از آنها در کاهنده‌ها، افزاینده‌ها و حسگرهای نانومقیاس استفاده کرد.
در بین اکسیدهای کارکردی (Functional)اکسید روی تنها ماده‌ای است که هر دو ویژگی پیزوالکتریکی و نیمه‌رسانایی را از خود نشان می‌دهد. این ماده ساختارهای گوناگونی دارد که بسیار غنی‌تر از انواع نانومواد شناخته شده مانند نانولوله‌های کربنی می‌باشند. با استفاده از روش تصعید حرارتی حالت جامد و با کنترل سرعت رشد، دمای رشد موضعی و ترکیب شیمیایی مواد می‌توان دسته وسیعی از نانوساختارهای اکسیدروی را سنتز کرد.
نانوحلزون‌ها، نانوفنرها و نانوحلقه‌های یکپارچه و بدون درز
با کنار هم قرار دادن مواد اولیه و با در نظر گرفتن بعضی ناخالصی‌ها مانند ایندیم می‌توان نانوحلقه‌های اکسید روی را سنتز کرد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به طور کاملاً واضح شکل حلقه‌ها را با سطوح یکسان نشان می‌دهد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی تونل‌زنی(TEM) نیز نشان می‌دهد که نانوحلقه‌ها به صورت تک‌بلوری و دایره‌ای هستند. این ساختارهای تک‌بلوری به معنی تشکیل نانوحلقه‌های کامل از روبان تک‌بلوری می‌باشد. نانوحلقه نتیجه حلقه‌ای‌شدن هم‌بافت و هم‌محور نانوتسمه‌ها می‌باشد.
نانوتسمه در طول رشد می‌تواند به خاطر برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک به صورت یک نوار برروی یک نانوحلقه کشیده شود، تا بارهای قطبی موضعی را خنثی کرده، ناحیه سطحی را کاهش دهد. در نتیجه ساختارهای نانوحلقه‌ای هم‌محور، چنددایره‌ای و هم‌مرکز تشکیل‌می‌شود. خودآرایی فرآیندی خود به خودی است که یک نوار به دور خود می‌پیچد و یک نانوتسمه رشد می‌کند. کاهش ناحیه سطحی و تشکیل پیوندهای شیمیایی (نیروهای نزدیک) بین دایره‌ها، ساختارهای دوار پایدار را ایجاد می‌کند. پهنای نانوحلقه، با حلقه شدن بیشتر دایره‌ها حول محور نانوحلقه و قرار گرفتن هم جهت آنها در جهت محور نانوحلقه افزایش می‌یابد.
::مدل رشد متناسب نانوحلقه::
زمانی که رشد در محدوده دمایی ثڑC 400-200 انجام شود، با اتصال دایره‌هایی از نانوتسمه به وسیله پیوندهای شیمیایی به همدیگر ساختارهای نانوحلقه‌ای استوانه‌ای تک‌بلوری تشکیل می‌شود. قرارگرفتن حلقه‌ها کنار همدیگر از نظر انرژی کاملاً مساعد است زیرا بارهای قطبی درون حلقه‌ها کاملاً خنثی می‌شوند. این مدل رشد در شکل بالا نشان داده شده است.
نانوتسمه‌های دارای بار سطحی (شکل پایین) می‌توانند به صورت دو صفحه موازی به عنوان خازن به کار روند.
::مدل نانوتسمه قطبی::
یک نانوتسمه قطبی تمایل دارد جهت کاهش انرژی الکترواستاتیک به صورت رول درآید. شکل حلزونی یا مارپیچ نیز می‌تواند انرژی الکترواستاتیک را کاهش دهد. (شکل پایین)
اگر بار سطحی در طول رشد خنثی نشود، قطبش خود به خودی، که نتیجه ممان دوقطبی است، انرژی الکترواستاتیک را کاهش می‌دهد، اما تشکیل رول یا حلقه بسته می‌تواند ممان دو قطبی را کاهش دهد یا آن را کاملاً خنثی کند، در نتیجه انرژی الکترواستاتیک کاهش می‌یابد.
از طرف دیگر خم‌کردن نانوتسمه انرژی الاستیک ایجاد می‌کند. اگر نانوتسمه‌ها به صورت دایره به دایره رول شوند، نیروی دافعه بین سطوح قطبی در تمام طول نانوفنر ادامه دارد، در حالی‌که نیروی تغییر شکل الاستیک، دایره‌ها را به سمت همدیگر می‌کشد. نانوحلزون‌ها متحدالشکل و با شعاع 500 تا 800 نانومتر هستند و از نانوتسمه تک‌بلوری اکسید روی ساخته شده‌اند.
نانوفنرها و نانوحلقه‌های تک‌بلوری ساخته شده از نانوتسمه‌ای اکسیدروی، ساختارهای القایی خود به خودی قطبی دارند، که نتیجه چرخش 90 درجه در قطبیت می‌باشد. این گونه ساختارها ایده‌آل‌ترین حالت برای درک پیزوالکتریکی و پدیدة القای قطبیت در مقیاس نانو می‌باشند. ساختارهای نانوتسمه‌ای پیزوالکترویک می‌توانند در حسگرها، ترانسفورماتورها و تشدیدکننده‌های دارای نانومقیاس به‌کار روند.
منبع: تبیان
