مشخصه یابی مواد نانو؛ ضرورت و دسته بندی

پس از فرآیند ساخت و تولید، ما به ابزارها و تکنیک‌هایی نیاز داریم تا ثابت و تبیین کنیم که مواد، ابزار و یا سیستم‌هایی را در مقیاس نانو ساخته‌ایم. از طرفی ابزارها و دستگاه‌های ِ ساده مانند میکروسکوپ‌هایی که هم اکنون در آزمایشگاه‌ها از آن استفاده می‌کنیم، برای مشاهده دنیای نانو کارآمد نیست. اندازه‌گیری خواص و مشخصه‌یابی نانوساختارها نیازمند روش و ابزارهای توسعه یافته است.

مشخصه‌یابی مواد نانو در واقع، تعیین مشخصات متنوع ِ نانوساختارها اعم از اندازه ذرات (بین 1تا 100 نانومتر)، شکل ذرات (کروی، سوزنی، لوله‌ای، بی‌شکل و ...)، خواص نوری، خواص مکانیکی، خواص سطحی (زبری، یکنواختی و ..)، خواص مغناطیسی و .. می‌باشد. برای تعیین هر یک از خصوصیات ذکر شده از ابزار و تکنیک‌هایی استفاده می‌شود که اطلاعات دقیق و مفیدی را از ابعاد نانو به ما بدهد. از آنجا که خواص منحصر به فرد نانومواد به شدت وابسته به اندازه ذره، ساختار سطحی و برهمکنش‌های بین ذرات تشکیل دهنده‌ی ِ آن هاست، بنابراین، مشخصه‌یابی نانومواد در توسعه و کاربردی کردن نانومواد بسیار مهم هستند.

روشهایی که جهت مشخصه‌یابی و آنالیز خواص نانومواد استفاده می‌شود عبارتند از:

1. روش‌های پرتو ایکس

2. میکروسکوپ الکترونی

3. میکروسکوپ پروپی روبشی ( Scanning Probe Microscopy (SPM

4. روش‌های اندازه‌گیری خواص مغناطیسی

1. روش‌های پرتو ایکس

این روش‌ها شامل:

الف: پراش پرتو ایکس  (X-Ray Diffraction (XRD

ب: طیف سنجی فتوالکترونی پرتو ایکس ( X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS

می‌باشد. روش اول از طریق پردازش و آنالیز پرتو ایکس ِ بازگشتی از سطح نمونه، به بررسی اندازه‌ی دانه‌ها در نانوذرات می‌پردازد، و روش دوم برای مطالعه‌ی ترکیب شیمیایی سطح نمونه استفاده می‌شود.

2. میکروسکوپ الکترونی

میکروسکوپ‌های الکترونی شامل دو نوع زیر است:

الف: میکروسکوپ الکترونی عبوری  (Transmission Electron Microscopy (TEM

ب: میکروسکوپ الکترونی روبشی  (Scanning Electron Microscopy (SEM

میکروسکوپ‌های الکترونی از بهترین ابزار برای بررسی اندازه و شکل نانومواد می‌باشند. این نوع از میکروسکوپ‌ها نیز همانند میکروسکوپ‌های ِ نوری، تصویری از سطح ماده را به ما می‌دهند. با این تفاوت که، دقت میکروسکوپ‌های الکترونی بسیار بیشتر از میکروسکوپ‌های نوری می‌باشد و همچنین، در میکروسکوپ‌های الکترونی به جای نور از الکترون‌هایی استفاده می‌کنند که انرژی زیادی در حد چند هزار الکترون ولت دارند. این انرژی هزاران بار بیشتر از انرژی یک فوتون (2 تا 3 الکترون ولت) می‌باشد.

3. میکروسکوپ پروبی روبشی

این نوع میکروسکوپ نیز خود شامل دو نوع می باشد:

الف: میکروسکوپ تونلی روبشی (Scanning Tunneling Microscopy (STM

ب: میکروسکوپ نیروی اتمی (Atomic Force Microscopy (AFM

این نوع میکروسکوپ برای به دست آوردن تصاویر سه بعدی از نانومواد بسیار مناسب می‌باشند. این روش علاوه بر پستی و بلندی سطح، می تواند امکان تعیین ساختار سطحی، ساختار الکترونیکی، ساختار مغناطیسی و یا هر خاصیت موضعی دیگر را فراهم آورد.

نوع الف این میکروسکوپ‌ها بیشتر برای آنالیز شیمیایی سطوح رسانا در شرایط خلأ استفاده می‌شود. اما نوع ب بستگی به رسانا بودن سطح نمونه ندارد و یکی از کاربردهای بسیار مهم آن اندازه‌گیری خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی است.

4. روش‌های اندازه گیری خواص مغناطیسی

هدف از مغناطیس‌سنجی، اندازه‌گیری میزان مغناطش نانومواد است که با روش‌های گوناگون و با استفاده از پدیده‌های مغناطیسی مختلف می‌تواند انجام شود. دو روشی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از:

الف: مغناطیس سنج با نمونه ارتعاشی   ( Vibration Sample Magnetometer (VSM

ب: منحنی‌های مغناطش بر حسب دما (منحنی ZFC  و منحنی  FC)

در روش اول نمونه پس از مراحل آماده‌سازی در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار گرفته و منحنی مغناطش آن بر حسب میدان اعمالی (منحنی پسماند ) رسم می‌شود. با بررسی و تفسیر منحنی پسماند می‌توان میزان مغناطش و بسیاری از مفاهیم دیگر مغناطیسی در نانومواد را به دست آورد.

در مقالات بعدی راجع به هر یک از روش‌های فوق، به تفصیل شرح داده خواهد شد ...

نویسنده: مریم ملک دار