نانومترولوژی

ابزارهای نانوتکنولوژی: نانومترولوژی

توسعه ی عظیم نانوتکنولوژی در حقیقت نیازمند دانستن ابعادی است که باید در یک ماده ی نانوساختار، مورد شناسایی قرار گیرد. این مسئله منجر به یک زمینه ی جدید از تکنولوژی شده است که به آن نانوتکنولوژی گفته می شود. نانوتکنولوژی علم و عمل اندازه گیری عملکردهای مهم می باشد، مخصوصاً پارامترهای ابعادی و اجزایی با ابعاد بحرانی کمتر از 100 نانومتر. موفقیت در وسایل تولید شده در مقیاس نانو، بر پایه ی نانومترولوژی جدیدی است که در واقع بر اساس آن قابلیت اندازه گیری خواص اساسی مواد شامل حساسیت آنها نسبت به شرایط محیطی و تغییرات آنها، ایجاد می شود. به منظور مطالعه و بررسی نانوسیستم های پیچیده، ابزارهای تجربی و تئوری پیچیده ای برای دستکاری این مواد و وسایل مورد نیاز می باشد. این ابزارها شامل ابزارهای تصویر برداری و روش های کمی با رزولیشن هایی در گستره ی 〖10〗^(-6) و کمتر، می باشد. علاوه بر این، این روش ها برای یادگیری روابط و برهمکنش نانومقیاس، مناسب می باشند. این یادگیری ها برای توسعه ی اهداف مهم از جمله کاربردهای بیولوژیکی و پزشکی، مهم می باشد. نیاز به شناسایی بهتر در وسایل نانومقیاس در واقع از رابطه ی میان خواص عملکردی ماکروسکوپیک و ویژگی های ساختاری نانومقیاس مربوط به نانومواد، مشتق شده است. این مسئله یکی از پیش نیازهای مربوط به توسعه ی زمینه های تکنولوژیکی ارزان قیمت مانند الکترودهای آلی است. این موارد در زمینه هایی از جمله سلول های خورشیدی آلی (OPVs)، دیودهای انتشار نور آلی (OLEDs) و ترانزیستورهای اثر میدانی آلی (OFETs) کاربرد دارند. بینش ها در زمینه ی نانوتکنولوژی و مکانیزم های رسانش در سطوح مختلف که در حقیقت در داخل این وسایل چند لایه وجود دارند، مسئله ی حیاتی در توسعه ی این تکنولوژی و ساخت محصولات با کیفیت بهتر است. مثال هایی از ابزارهای مهم در این زمینه، استفاده از منابع اشعه ی X و روش های مربوطه ای است که موجب می شوند جزئیات مناسبی از ساختار مولکولی، فراهم شود. این کار از طریق آرایه ی اتمی معین و پروب های میکروسکوپی روبشی انجام می شود که در حقیقت بوسیله ی آنها اجازه ی مشاهده ی توپولوژی های سه بعدی اتمی و مولکولی مقدور می شود. همچنین روش های نوری که بوسیله ی آنها، اجازه ی ارزیابی بلوک های ساختاری مواد وجود دارد، نیز توسعه یافته است. بوسیله ی این روش ها، امکان اندازه گیری در محیط هوا، خلأ و محیط های مایع، وجود دارد. بوسیله ی این روش ها، می توان جذب پروتئین ها و سلول ها بر روی سطوح جامد، را تعیین کرد. از این روش ها برای مشخصه یابی و تشخیص باکتری ها در سطح نمونه ها، استفاده می شود. این روش ها، به منظور اهداف تحلیلی در بیوشیمی و پزشکی، استفاده می شود.
روش های نانومترولوژی نیازمند اندازه گیری هایی است که باید در زمان واقعی انجام شود و بوسیله ی آنها، می توان خواص مواد در حین تصویربرداری از ماده، تعیین و اندازه گیری شود. روش های نانومترولوژی باید بوسیله ی مدل های فیزیکی مورد تأیید قرار گیرند و اجازه ی بررسی برهمکنش های پروب- نمونه ایجاد گردد. این روش ها در حین فرایندهای تولید نانومقیاس مورد استفاده قرار می گیرند و بوسیله ی آنها اطلاعات ارزشمندی در مورد خواص نوری، نوسانی، ساختاری و مورفولوژی مهیا می شود. علاوه بر این، با این روشها، امکان اندازه گیری ضخامت و مکانیزم های ایجاد شده در نمونه تحت شرایط رشد و سنتز نانومقیاس، وجود دارد. ارتباط های دیگر میان خواص فیزیکی و نوری می تواند منجر به شناسایی کامل تر و ارزیابی مواد و وسایل شود. طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ی X (XPS) نیز یکی از روش های کمی متداول برای تعیین غلظت های اتمی و گونه های شیمیایی است که در سطح یک نمونه وجود دارند. XPS دارای پتانسیل بالایی در تعیین غیر مخرب پروفایل های عمقی می باشد. طیف سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS) یک روش با حساسیت بالا است که ممکن است برای تعیین ترکیب یک ماده، مورد استفاده قرار گیرد، مخصوصاً ترکیب در نزدیکی سطح. با انجام کالیبراسیون های خاص، امکان تشخیص اتم ها به عنوان تابعی از نسبت بار جرمی آنها و همچنین به عنوان تابعی از عمق امکان پذیر است. حد تشخیص عناصر اندک نیز بین 〖10〗^12 تا 〖10〗^16 اتم بر سانتیمتر مکعب می باشد. بازتابش مربوط به اشعه ی X (XRR) همچنین ابزاری قوی برای بررسی ساختار فیلم های یکپارچه و چند لایه می باشد. این روش یکی از چند روش نادری است که بوسیله ی آن، اطلاعات مربوط به سطح آزاد سطح مشترک استخراج می شود و علاوه بر این، دانسیته ی جرمی و ضخامت لایه های بسیار نازک نیز در حد چند نانومتر در طول جهت عمود بر سطح نمونه، تعیین می شود. XRR قادر است تا با دقت بالایی ضخامت لایه های نازک هموژن و پوشش های چند لایه ای را تشخیص دهد. همچنین این روش قابلیت تعیین دانسیته، سطح، زبری سطح مشترک لایه های تشکیل دهنده را نیز دارا می باشد. علاوه بر این، سایر روش های مناسب نانومترولوژی نیز وجود دارد برای مثال، طیف سنجی رامان با سری بهبود یافته (TERS). روش TERS قابلیت طیف سنجی رامان را ترکیب کرده و برای بررسی تک لایه ها و یا حتی تشخیص مولکول ها، مورد استفاده قرار می گیرد. در این زمینه، افزایش قابل توجهی در سیگنال رامان و رزولیشن جانبی مشاهده می شود. این میزان در حدود 9 برابر حالت ابتدایی می باشد. بنابراین TERS می تواند برای آنالیز شیمیایی نواحی بسیار کوچک و برای تصویربرداری از نانوساختارها، مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، این روش می تواند برای سایر مواد از جمله پروتئین ها و بیومولکول ها نیز مورد استفاده قرار گیرد (شکل 1). یکی دیگر از روش های مهم نانومترولوژی، نانوایندنتاسیون (nanoindentation) می باشد که به سرعت به عنوان یک روش مناسب برای تعیین کمی خواص مکانیکی (مانند سختی و مدول الاستیک) لایه های نازک و حجم های کوچک از مواد، تبدیل شده است. در شکل 2a و 2b ، نمودار بار به جابجایی برای این روش آورده شده است که در واقع از طریق این آزمون بر روی لایه ی نازک کربن آمورف، بدست آمده است. این کربن آمورف بر روی زیرلایه ی سیلیکونی با صفحه ی (001) رسوب دهی شده است. در این روش از ایندنتور الماسی برکوویچ، استفاده شده است. در نهایت، میکروسکوپ های پروبی- روبشی (SPM) ابزارهای استانداردی برای آزمایشگاه های علمی و صنعتی می باشد که بوسیله ی آن، امکان تصویر برداری، اصلاح و دستکاری بر روی اجزای نانومتری، ممکن می باشد. این ادوات اجازه ی تصویربرداری از توپولوژی های سطحی را می دهند و بوسیله ی آنها، می توان ارتباط بین خواص فیزیکی مختلف را در داخل یک گستره ی وسیع تر از بزرگنمایی، تعیین نمود. در واقع این گستره، گستره ی نانومتری می باشد. میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM) و روش های وابسته به آن، نیز ابزارهایی پیچیده برای تصویربرداری و اندازه گیری مولکول های سطحی می باشد. این روش موجب می شود تا دانش ما در مورد برهمکنش های مولکولی افزایش یابد. میکروسکوپ های پروبی- روبشی (SPM) هم اکنون توانسته اند سهم قابل قبولی در توسعه ی الکترونیک مواد آلی ایفا کنند. میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا (c-AFM)، میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک (EFM)، میکروسکوپ های پروبی- روبشی کلوین (SKPM) و انواع مختلفی از این میکروسکوپ ها، به صورت موفقیت آمیز برای بررسی وسایل آلی مورد استفاده در صنایع مختلف، استفاده شده اند.

چشم انداز آینده

نانوتکنولوژی دارای طبیعتی بین رشته ای است. از انجایی که بررسی ها در سطح نانومتری در واقع در زمینه های مخلتفی رخ می دهد، این انتظار وجود دارد که نتایج این تحقیقات اثر قابل توجهی بر روی کاربرد مواد نانومتری داشته باشد. نانومواد با خواص منحصربفرد دارای قابلیت های نامحدودی در تولید محصولات علم مواد می باشند. برای مثال، افزودن مقادیر بسیار اندک از نانوذرات عامل دار شده و یا نانوتیوب های کربنی منجر به تغییر قابل توجه در خواص بسیاری از محصولات تجاری می شود.
این اعتقاد وجود دارد که نانوتکنولوژی می تواند به صورت قابل توجهی دنیای پزشکی مدرن امروزی را تغییر دهد. ساختارهای نانویی هم اکنون در کاربردهای درمانی مانند درمان سرطان و ... استفاده می شوند. این ساختارها بیشتر در زمینه ی دارورسانی عمل می کنند. همچنین چارچوب های مهندسی شده و بافت های مصنوعی نیز در بیمارانی کاشت می شود که بافت بخشی از بدن و یا ارگانی از بدن خود را از دست داده اند. علاوه بر این، نانوساختارهای خاص به طور گسترده ای در تصویربرداری و تولید عوامل تشخیصی در درمان بیماری ها، استفاده می شوند. هدف ایده آل در حقیقت بهبود سلامتی با افزایش بهره وری و ایمنی نانوسیستم ها و نانووسایلی می باشد. یکی دیگر از اهداف مد نظر، کاهش زمان درمان و افزایش سطح کیفیت درمان می باشد.
مزیت های مربوط به علوم نانو، طراحی نانومواد جدید و در نهایت تولید محصولات نانومقیاس جدید، به طور قابل توجهی به قابلیت اندازه گیری دقیق و قابل تکرار خواص و کارایی آنها در مقیاس نانو، وابسته می باشد. بنابراین، ابزارها و روش های نانومترولوژی در نانوتکنولوژی تجمیع شده اند تا بدین صورت پیشرفت قابل توجهی در علم پدید آید.
در نتیجه، توالی ابزارهای مترولوژی به گونه ای طراحی شده است که بتواند نیازهای مربوط به تحقیقات نانوتکنولوژی را برطرف کند. روش ها، ابزارها، ادوات و زیرساختارهای جدید برای حمایت از صنعت تولید محصولات نانویی، مورد نیاز می باشد.
ابزارهای مترولوژی کنونی همچنین باید بتوانند به حد مطلوب از رزولیشن مورد نیاز برای برطرف کردن الزامات مربوط به نانوتکنولوژی و یا تولید مواد نانویی، برسد. روش های جدید و ترکیب آنها مانند روش TERS، موجب افزایش رزولیشن می شود زیرا این روش ها، موجب افزایش قابل توجه سیگنال رامان می شوند و از این رو، موجب بهبود رزولیشن جانبی به میزان 9 برابر می شود. این ترکیب شدن موجب می شود تا مشکلاتی که از کمبود سیگنال بوجود می آمدند، برطرف شوند. در واقع سیستم های رامان متداول دارای رزولیشنی در حد 300 میکرون می باشند و نیازمند توان لیزر بالاتری برای بررسی سطحی می باشند. علت این مسئله این است که شدت رامان اندازه گیری شده 6 برابر کمتر از توان تهییج می باشد. بنابراین، TERS یک روش مورد قبول است و این انتظار می رود که این روش در آینده برای آنالیز شیمیایی نواحی سطحی بسیار کوچک و تصویربرداری از نانوساختارها و بیومولکول هایی مانند پروتئین ها، مورد استفاده قرار گیرد. روش های جدید باید توسعه یابند و روش های قدیمی نیز باید اصلاح شوند تا بدین صورت طیف و میزان رزولیشن فضایی این ادوات، بهبود یابند. این بهبود همچنین باید در زمینه ی کنتراست و همچنین حساسیت این روش ها نسبت به گونه های عنصری و مولکولی نیز باشد. به صورت ایده آل، روش های جدید باید قابلیت کار به صورت در جا، در محیط هوا و یا محیط های مایع را داشته باشند.
به هر حال، روش های جدید و هوشمند باید توسعه پیدا کنند. به همین منظور، این نیاز است تا مکانیزم های اساسی مربوطه به خوبی فهمیده شود و بدین صورت پروب های نانومترولوژی بتوانند برهمکنش سیستم ها با مواد و اجسام مورد بررسی را شناسایی کنند. همچنین این مهم است که نمونه های استاندارد و روش های اندازه گیری مناسبی در مقیاس نانو، توسعه یابند. این کار موجب می شود تا انتقال خواص و همچنین پاسخ واحدها از حالت نانومتری به حالت ماکروسکوپی تعیین شود، بدون آنکه دقت کاهش یابد. در نهایت، حتی با وجود موجود بودن ابزارهای کنونی، سوال مهم این است که آیا این ابزارها می توانند اطلاعات مورد نیاز برای ما را تعیین کنند یا نه؟ روش های متفاوتی در مترولوژی مورد نیاز است تا بدین صورت تحقیقات عمقی تر و بهتری در آینده انجام شود.

خلاصه

نانوتکنولوژی یک تکنولوژی نوظهور است که در چندین زمینه از علوم و تحقیقات وارد شده است. این زمینه ها عبارتند از تکنولوژی ارتباطات و اطلاعات، الکترونیک، انرژی، بیولوژی، تکنولوژی پزشکی و ... . مواد نانویی جدید، بیومواد و ادوات نانومتری تولید شده اند و بوسیله ی ابزارهای نانوتکنولوژی کنترل می شونند. این ابزارها توانایی تنظیم خواص، پاسخ ها و عملکرد مواد زنده و غیر زنده ای را دارا می باشند که اندازه ی آنها زیر 100 نانومتر است.
نانوتکنولوژی علمی با پتانسیل قابل توجه و همچنین انتظارات زیاد است. چاپ روزانه ی مقاله های متنوع در این زمینه، در حقیقت موجب اثرگذاری بر روی جامعه ی بشری شده است. نانومواد موقعیت های جدیدی را بوسیله ی تصحیح خواص نوری، الکترونیکی، شیمیایی و مغناطیسی، فراهم می آورند. در طی سال های اخیر، پیشرفت قابل توجهی در تولید و فرآوری نانوساختارها، رخ داده است. به عنوان یک نتیجه، مواد نانوفاز و کاربردهای آنها هم اکنون در بازار موجود می باشند و این انتظار می رود که حجم قابل توجهی از کاربردهای جدید برای مواد جدید، وجود داشته باشد. به هر حال، توسعه و تجاری سازی محصولات حاوی نانومواد، موجب شده است تا موضوعات مهمی در زمینه ی این تکنولوژی مطرح شود. یکی از این موضوعات، دغدغه ها در زمینه ی سمی بودن این مواد و اثر آنها بر روی محیط زیست می باشد. علارغم تحقیقات گسترده در طی چند دهه ی اخیر، مقالاتی که نشاندهنده ی سمی بودن این مواد باشد، نادر است.
به منظور بررسی عمق نانوسیستم های پیچیده، ابزارهای مترولوژی پیچیده ای مورد نیاز می باشد. مزیت های مربوط به نانومواد به موازات پیشرفت های انجام شده در زمینه ی ابزارها و ادوات مترولوژی، افزایش می یابد. مثال هایی از مهم ترین ابزارهای مترولوژی عبارتند از: الیپسومتری (ellipsometry)، منابع اشعه ی ایکس با قدرت متمرکز شدن بالا و روش های مربوطه، نانوایندنتاسیون و میکروسکوپ های پروبی- اسکنی . روش های مترولوژی که در بالا بدان ها اشاره شد، موجب می شوند تا چندین جنبه از تکنولوژی جدید نانومواد، در زمینه ی خواص نوری، ساختاری و شیمی نانویی، فهمیده شود. دقت در مقیاس نانومتری و بررسی های جزئی که این روش های نانومترلوژی ارائه می دهند، موجب می شوند تا این روشها، پتانسیل خوبی برای کاربردهای پیشرفته تر، داشته باشند.

منبع مقاله :
Nanostractured Materials and Their Applications / S. Logothetidis