دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران مرکزی
دانشکده علوم ، گروه فیزیک
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد (M.Sc)
گرایش : اتمی – مولکولی
عنوان:
بررسی اثر دما بر سطح مقطع پراکندگی ذرات نانو فلزی
استاد راهنما :
دکتر محمد صبائیان
استاد مشاور:
دکتر حمید نادگران
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول کلیات طرح
1-1 بیان مسئله و هدف‌های تحقیق…………………………………………………………….. 2
1-2- اهمیت موضوع تحقیق و انگیزش انتخاب آن…………………………………………. 2
1-3 سؤالات و فرضیه‌های تحقیق……………………………………………………………… 3
a1–3 سؤالات تحقیق……………………………………………………………………………… 3
b1–3 فرضیه‌های تحقیق………………………………………………………………………….. 3
1–4- تعاریف عملیاتی متغیرها و واژه‌های كلیدی…………………………………………… 4
1-5- مدل تحقیق…………………………………………………………………………………… 4
1-6- روش تحقیق ………………………………………………………………………………… 4
1-7- قلمرو تحقیق…………………………………………………………………………………. 4
فصل دوم مطالعات نظری
مقدمه…………………………………………………………………………………………………… 6
2-1- روش‌های تولید نانو مواد………………………………………………………………….. 6
2-1-1- روش بالا به پایین……………………………………………………………………….. 6
2-1-2- روش پایین به بالا……………………………………………………………………….. 7
2-2- روش‌های تولید نانو طلا و نقره………………………………………………………….. 7
2-2-1- سنتز فاز بخار…………………………………………………………………………….. 7
2-2-2- الكتروشیمیایی……………………………………………………………………………. 7
2-2-3- سنتز فوتولیز ……………………………………………………………………………… 8
2-2-4- كاهش شیمیایی…………………………………………………………………………… 8
2-3- خواص نانوذرات……………………………………………………………………………. 9
2-4- كاربرد نانوذرات…………………………………………………………………………….. 10
2-4-1- نانو ذرات غیرفلزی……………………………………………………………………… 10
2-4-2- نانوذرات فلزی………………………………………………………………………….. 10
2-4-2-1- نانو طلا و كاربردهای آن…………………………………………………………… 10
2-4-2-2- نانو نقره و كاربردهای آن…………………………………………………………… 11
2-5- فرمول بندی کلاسیکی……………………………………………………………………… 11
2-6- تابع دی‌الكتریك گاز الكترون‌های آزاد…………………………………………………. 17
2-7- انتشار گاز الكترون آزاد و پلاسمون حجمی…………………………………………… 22
2-8- فلزات و گذارهای میان باندی……………………………………………………………. 24
2-9- پلاریتون‌های پلاسمون سطحی در فصل مشترك فلز و عایق……………………… 25
2-10- معادله‌ی موج……………………………………………………………………………….. 26
2-11- پلاریتون‌های پلاسمون سطحی در یك سطح مشترك منفرد:…………………….. 29
2-12- پراكندگی به وسیله دوقطبی‌های القا شده‌ی پراكنده‌گرهای كوچك……………… 33
2-13- پراكندگی از طریق یك كره‌ی دی‌الكتریك كوچك………………………………… 34
2-14- پراكندگی از طریق كره‌ی كاملاً رسانای كوچك…………………………………….. 36
2-15- تئوری پراكندگی مای…………………………………………………………………….. 38
2-16- پیشینه تحقیق……………………………………………………………………………….. 38
فصل سوم روش تحقیق
3-1- روش تحقیق…………………………………………………………………………………. 43
3-2- ابزار جمع آوری اطلاعات………………………………………………………………… 48
فصل چهارم تجزیه و تحلیل یافته های تحقیق
4-1 تغییرات سطح مقطع پراکندگی بر حسب طول موج در شعاع های مختلف……… 51
4-2 تغییرات بیشینه مقطع پراکندگی در اندازه های مختلف ذره نقره……………………. 60
4-3 تغییرات بیشینه سطح مقطع پراکندگی بر حسب دما در شعاعهای مختلف………. 62
فصل پنجم نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1- نتیجه گیری ………………………………………………………………………………….. 66
5-2- پیشنهادات……………………………………………………………………………………. 67
منابع……………………………………………………………………………………………………. 68
1 بیان مسئله و هدف‌های تحقیق
نانو تكنولوژی، دست‌یابی به فناوری كاربرد ذراتی با ابعاد نانومتر است كه به نانوذرات موسومند. دلیل انتخاب این مقیاس برای كار بر روی مواد، خواص خارق‌العاده‌ای است كه در ذراتی با این اندازه ظاهر می‌شوند و امروزه به شدت مورد توجه دانشمندان قرار گرفته اند. نگاه به فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیكی از دید نانومتری، یعنی در ابعاد اتمی اطلاعاتی به دست می‌دهد كه راحت‌تر می‌توان مسیر تشکیل آن را مشخص و خواسته‌ها و نظرات شخصی را در آن اعمال نمود]1[. آن چه كه امروز تحت عنوان نانوتكنولوژی مطرح است آشنا شدن و كنترل كردن بسیاری از پدیده‌ها در ابعاد اتمی و آنگسترومی است. پیشرفت های اخیر در ساخت تیوپ كربن، موتورهای بیومولكولی، حسگرهای با ابعاد باكتری، فیلترهای میكرونی و دیگر موارد، موجبات تغییر و تحول در علوم مختلف از جمله كامپیوتر، فیزیك، الكترونیك، هوا فضا، شیمی و محیط زیست و دیگر علوم را فراهم کرده است]2[. از این میان، نانوذرات فلزی طلا و نقره به دلیل خواص منحصر به فردشان مورد توجه هستند. یكی از جالب‌ترین جنبه‌های نانوذرات فلزی این است كه خواص نوری آن‌ها به شدت به اندازه و شكل ذره وابسته است. نور منعكس شده از طلای توده‌ای زردرنگ است، اما فیلم‌های نازك طلا، نور آبی از خود عبور می‌دهند. با كاهش اندازه این فیلم تا حدود 3nm، این رنگ تدریجاً به ارغوانی، قرمز و سرانجام نارنجی تبدیل می‌شود. این اثرات، نتیجه‌ی تغییراتی موسوم به تشدید پلاسمون سطحی – فركانسی كه در آن الكترون‌های نوار رسانش در پاسخ به میدان الكتریكی متناوب یك پرتو الكترومغناطیس برخوردی نوسان می‌كنند- است. با این حال تنها فلزات دارای الكترون‌های آزاد (الزاماً طلا، نقره، مس و فلزات قلیایی) در طیف مرئی دارای تشدید پلاسمون هستند و به همین علت چنین تغییر رنگ شدیدی را از خود نشان می‌دهند]3[ و]4[.
1-2- اهمیت موضوع تحقیق و انگیزش انتخاب آن
امواج پلاسمون سطحی كه در فصل‌های بعدی مورد بحث قرار خواهند گرفت، یكی از مباحث نو و جدید در حیطه نانواپتیك هستند. از سال 1990 تعداد سالانه مقالات در مورد پلاسمون‌های سطحی هر 5 سال، دو برابر شده است]5[، این رشد سریع با پیشرفت و تجاری كردن کدهای محاسباتی نیرومند، تكنیك‌های ساخت نانو و تكنیك‌های تحلیل فیزیكی، امكان بیش‌تری به مهندسین و محققین با ارائه ابزار لازم برای طراحی ساخت و تحلیل خواص اپتیكی نانو ساختارهای فلزی، فراهم می‌كند]5[.
این گرایش جدید استفاده‌های قابل توجهی در بحث حس‌گرها، آنتن‌ها، گیرنده‌ها و ادوات نوری در مقیاس نانو دارد]6[. بررسی اثرات تغییر دما بر سطح مقطع پراکندگی ذرات نانو، می تواند در جهت توسعه مفاهیم نظری، جهت کاربردهای آتی موثر باشد. تا جایی که به اطلاعات ما بر می گردد این بررسی برای اولین بار انجام می شود. موضوع پراكندگی نور از ذرات نانو فلزی تحت اثرات دمایی، گسترش موضوع و فرمول‌بندی نظری و تلاش در جهت شناخت این پدیده از انگیزه‌های انتخاب این موضوع می‌باشد.
1-3 سؤالات و فرضیه‌های تحقیق
a1–3 سؤالات تحقیق:
- چرا از ذرات فلزی در مقیاس نانو در این تحقیق استفاده می‌شود؟
- چرا نانو ذرات نقره در این روش كاربرد بیش‌تری دارند؟
- تغییرات دما چه تأثیری می‌تواند در سطح مقطع پراكندگی این ذرات ایجاد كند؟
- آیا تغییرات مشاهده شده، قابل توجه هستند؟
- آیا اندازه نانو ذرات فلزی در میزان پراكندگی تأثیر دارد؟
- پدیده پلاسمون و پلاسمون سطحی چیست و تحت چه شرایطی رخ می‌دهد؟
b1–3 فرضیه‌های تحقیق:
فرضیه‌های این پژوهش شامل موارد زیر است:
- قطر ذرات به اندازه ای است که مدل های کلاسیکی می توانند پدیده پراکندگی نور را بخوبی توصیف کنند.
- معادلات موج ماکسول بدرستی می توانند جهت بررسی سطح مقطع پراکندگی نانو ذرات فلزی مورد استفاده قرار گیرند.
- روش عناصر محدود روشی مناسب جهت بررسی این پدیده بصورت عددی است.
1–4- تعاریف عملیاتی متغیرها و واژه‌های كلیدی
نانوذرات فلزی: طبق تعریف عمومی نانوذرات، ذراتی با ابعاد 1 تا 100 نانومتر هستند.
پلاسمون: در فیزیك، به نوسانات پلاسمایی تشكیل شده در سطح فلز، پلاسمون گویند. یا، عملكرد الكترون‌های آزاد بر روی سطح فلزات، پدیده‌ای است كه پلاسمون نامیده می‌شود]6[.
امواج پلاسمون سطحی: فصل مشترك میان ماده‌ای با ثابت دی‌الكتریك مثبت و ماده‌ای با ثابت دی‌الكتریك منفی مثل فلزات می‌تواند باعث انتشار امواج الكترومغناطیسی ویژه‌ای شود كه امواج پلاسمون سطحی خوانده می‌شوند و در محدوده‌ی نزدیك سطح باقی می‌مانند]6[.
1-5- مدل تحقیق
بر اساس حل معادله موج ماکسول در یک منطقه که شامل ذره فلزی در زمینه خلاء است، می‌باشد.
1-6- روش تحقیق
روش تحقیق به صورت نظری و با استفاده از روش عددی، عناصر محدود و با استفاده از نرم افزار Comsol Multi Physics صورت گرفته است.
1-7- قلمرو تحقیق
تحقیق با توجه به آخرین یافته‌ها در ادبیات مربوطه، از طریق مطالعات كتابخانه‌ای، بررسی پایان‌نامه‌های مرتبط و مقالات ژورنال های تخصصی در این زمینه ها و جستجو در اینترنت صورت می گیرد.
فصل دوم
فصل دوم: مطالعات نظری
مقدمه
“در پایین فضای كافی وجود دارد” این جمله عنوان سخنرانی ریچارد فاینمن در سال 1959 در انجمن فیزیك امریكاست. وی در سخنرانی مشهور خود، به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت و توجه دانشمندان را به توانایی بشر برای دست‌كاری مواد در مقیاس اتمی جلب نمود. ایشان كه پایه‌گذار نانوتكنولوژی شناخته می‌شوند، عقیده داشتند، مشكلات موجود در علوم مختلف در صورتی قابل حل است كه دانشمندان در سطوح اتمی توانایی مطالعه و بررسی داشته باشند]9[. البته استفاده از نانو مواد برخلاف تصور عمومی، دارای سابقه‌ی تاریخی طولانی می‌باشد و نقطه شروع استفاده از مزایای نانوساختارها توسط انسان مشخص نیست. اما این استفاده فقط بر اساس كشفیات اتفاقی بوده و دلیل علمی آن‌ها ناشناخته بوده است. برای مثال رومی‌ها چهار قرن قبل از میلاد، از نانوذرات فلزی برای رنگ‌آمیزی شیشه‌ها بهره می‌گرفتند]10[.
فناوری نانو یا نانوتكنولوژی رشته‌ای از دانش كاربردی و فناوری است كه جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد كم‌تر از یك میكرومتر، معمولاً حدود 1 تا 100 نانومتر است. در واقع نانوتكنولوژی فهم و بكارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم‌هایی در این ابعاد است كه اثرات فیزیكی جدیدی از خود نشان می‌دهند؛ كه این موضوع عمدتاً به علت غلبه خواص كوانتومی بر خواص كلاسیك به وجود می‌آید]11[.
2-1- روش‌های تولید نانو مواد
اصلی‌ترین روش‌های ساخت مواد نانو را می‌توان در دو روش كلی 1- روش بالا به پایین و 2- روش پایین به بالا خلاصه نمود.
2-1-1- روش بالا به پایین
در این روش با استفاده از یك سری ابزارها، مواد از جسم حجیم جدا شده و جسم كوچك می‌شود تا به اندازه‌های نانومتری برسد.
2-1-2- روش پایین به بالا
این روش درست در جهت مخالف روش بالا به پایین می‌باشد، در این روش مواد نانو با استفاده از به هم پیوستن بلوك‌های سازنده مانند اتم‌ها و مولكول‌ها و قرار دادن آن‌ها در كنار یكدیگر و یا استفاده از خودآرایی تولید می‌شوند. خودآرایی عبارت است از طراحی مولكول‌ها و ابر مولكول‌هایی كه اساس تشكیل آن‌ها مكمل بودن شكل ساختاری است. باید توجه داشت كه اتم‌ها و مولكول‌ها همیشه در جایی كه مورد نظر ماست قرار نخواهند گرفت و عاملی كه محل قرارگیری آن‌ها را تعیین می‌كند انرژی آن‌هاست، به این صورت كه مولكول‌ها در جایی قرار خواهند گرفت كه كم‌ترین انرژی آزاد را داشته باشند و به سمت انرژی آزاد منفی تمایل دارند. انرژی آزاد در یك سیستم به وسیله استحكام پیوندها و آنتروپی تعیین می‌شود]12[.
2-2- روش‌های تولید نانو طلا و نقره
2-2-1- سنتز فاز بخار
سنتز فاز بخار ذرات، برای تولید نانوذرات فلزی مناسب است به این صورت كه مخلوط فاز بخار به طور دینامیكی ناپایدار است تا مواد در حد نانو تهیه شود، ذرات به صورت همگن هسته‌گذاری می‌كنند و بعد از یك بار مرحله هسته‌گذاری، بخار فوق اشباع باقی مانده به وسیله متراكم شدن و واكنش با ذرات باعث رشد ذره‌ها می‌شود، در این جا رشد ذره بیش از مرحله هسته‌گذاری اتفاق می‌افتد (در ابتدا باید بخار فوق اشباع تشكیل داد به این صورت كه یك جامد را حرارت می‌دهیم تا به صورت بخار در یك گاز پایه درآید، سپس با یك گاز سرد آن را مخلوط می‌كنیم تا دمای آن كاهش یابد بعد از این مرحله باید سیستم را خاموش كرد كه با برداشتن منبع بخار فوق اشباع یا كاهش سینیتیكی واكنش انجام می‌شود و از رشد ذرات جلوگیری می‌شود).
2-2-2- الكتروشیمیایی
برای تهیه نانوذرات طلا و نقره از طریق روش‌های الكتروشیمیایی نیز اقداماتی شده است كه سایز ذرات با تنظیم شدت جریان تغییر می‌كند. در روش‌های الكتروشیمیایی در تولید نانوذرات اثرات پارامترهای گوناگون مثل دما، جنس كاتد، اورولتاژ، دانسیته جریان، زمان، نوع الكترولیت بر روی اندازه و ساختار ذرات بررسی شده است یكی از روش‌های سنتز نانوذرات فلزی طی روش الكتروشیمی الكتروپالس است این روش بر پایه استفاده از الكتروشیمی پالسی و شیمی صوت است و به تجهیزات بالا احتیاج دارد. روشی برای جانشینی الكتروستاتیكی طلا روی سطح الكترود در الكتروشیمی و ایجاد باند بین طلا با تیول‌ها و دی‌سولفیدها گزارش شده است.
تعداد صفحه :83
قیمت : 14700تومان
