میکروسکوپ نیروی اتمی از نوع میکروسکوپ های روبشی است و برای سنجش سطح و بررسی پستی و بلندی های سطح نمونه در مقیاس های اتمی به کار می رود. اساس کار میکروسکوپ نیروی اتمی بسیار ساده است، طبق شکل زیر، درون این دستگاه یک اهرم قرار دارد که زیر نوک آن یک لبه ی سوزنی شکل جای داده شده است، که به این اهرم کانتیلور می گویند. نوک سوزنی شکل باید در عین ظرافت بسیار مستحکم باشد تا بتواند پستی بلندی های سطح نمونه را در مقیاس نانومتری یا کمتر اندازه گیری کند. این اهرم به آرامی و با دقت بالا روی سطح نمونه مورد بررسی، حرکت می کند. به علت پستی و بلندی های سطح نمونه این اهرم در مقیاس بسیار کم جابه جا می شود. این جابه جایی توسط لیزر و دتکتور مرتبط با آن ردیابی می گردد. به این صورت که پشت اهرم (کانتیلور) آینه ای و صیقلی است و پرتو لیزر که به پشت اهرم می تابد از آن منعکس می شود، مکان برخورد نور انعکاسی به دتکتور با حرکت اهرم تغییر می کند و با اندازه گیری مکان نور لیزر منعکس شده می توان ارتفاع نقاط مختلف را بدست آورد.
میکروسکوپ تونلی روبشی STM ( scanning tunneling microscope ) : براساس روبش سطح رسانا به‌وسیله ی نوک بسیار باریک در حد چند نانومتر و تغییر در میزان جریان عبوری برحسب فاصله کار میکند. با این میکروسکوپ میتوان نحوه آرایش اتمها در سطح شبکه را به تصویر کشید. به عبارت دیگر تصویر ایجاد شده نشان دهنده آرایش فضایی نوار رسانش فلز یا نیمه هادی است. یعنی به طور کلی این آنالیز برای تحلیل سطح نمونه و فهمیدن پستی و بلندی های سطح نمونه و در دقت های بالاتر برای دیدن چینش اتم های سطحی نمونه به کار می رود.
بطور کلی STM، دارای اجزای زیر است:
نگهدارنده نمونه
سوزن و مجموعه مرتبط با آن
کنترل کننده الکترونیکی
رایانه جهت کنترل کننده الکترونیکی
نرم افزار جهت پردازش تصویر
طرز کار دقیق تر این میکروسکوپ بدین صورت است که در میکروسکوپ تونلی روبشی، سطح نمونه بوسیله سوزنی نوک تیز، بنام تیپ یا پروب روبش میشود. نوک یک پروب سالم و ایده آل، بسیار تیز بوده، بطوریکه در نوک آن تنها یک اتم جای می گیرد؛ بنابراین از حساسیت بسیار بالایی برخوردار است و به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود میتواند در حد نانومتر، کوچکترین پستی یا بلندی ها را در سطح نمونه آنالیز نماید و با استفاده از تجهیزات و نرم افزارهای موجود در دستگاه، داده های بدست آمده را بصورت تصویر بر نمایشگر نمایش دهد. این پروب در فاصله بسیار کم از سطح نمونه قرار می گیرد ولی با آن تماس ندارد. حال بین این سوزن و سطح مورد بررسی اختلاف ولتاژ برقرار می گیرد. در حالت کلی تبادل بار بین دو رسانا که با هم در تماس نیستند برقرار نمی گیرد اما اگر فاصله خالی بین دو رسانا بسیار کم باشد (مانند حالت کار میکروسکوپ تونلی روبشی) جریانی برقرار می گردد که حاصل از جهش الکترون هاست که به آن جریان تونل زنی می گویند. بدیهیست هر چه این فاصله کمتر باشد، جریان تونل زنی بیشتر است. پس با حرکت سوزن STM روی سظح نمونه از نقاط برجسته تر نمونه جریان بیشتری برقرار می شود و مقدار این جریان با ارتفاع سطح نسبت مستقیم دارد. پس با اندازه گیری جریان آمده از هر نقطه به سوزن ارتفاع آن معلوم می گردد. در نهایت با حرکت سوزن روی تمام سطح مورد نظر می توان نقشه ی کامل سطح را بدست آورد.
میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM (scanning electron microscopy ) که از گروه میکروسکوپ های الکترونی است، از معروف ترین روش های میکروسکوپی به شمار می رود که علاوه بر تهیه ی تصاویر بزرگنمایی شده، در صورتی که به تجهیزات اضافی مجهز شود می تواند برای آنالیز شیمیایی و دیگر بررسی ها نیز به کار گرفته شود.میکروسکوپ الکترونی یا SEM قابلیت عکس‌برداری از سطوح با بزرگنمایی ۱۰ تا ۵۰۰۰۰۰ برابر و با قدرت تفکیکی کمتر از ۱ تا ۲۰ نانومتر (بسته به نوع نمونه) را دارد.
مبنای عملکرد این میکروسکوپ، برهم کنش پرتوی الکترونی با ماده است. پرتوهای ساطع شده از این برهم کنش می تواند جهت بررسی ها مورد استفاده قرار گیرد.
در این دستگاه ابتدا توسط منبع الکترونی یک باریکه الکترونی ایجاد می گردد. این باریکه با عبور از میدان های مغناطیسی، لنزها و روزنه ها به اندازه ی کافی باریک می گردد و همزمان در یک میدان الکتریکی شتاب می گیرد. هر چه باریکه ی الکترونی باریک تر بوده و سرعت تمام الکترون های درون آن با هم برابر بوده باشد، باریکه مطلوب تر است. معمولا پرتو الکترونی دارای الکترون هایی با ۱ تا ۵۰ الکترون ولت انرژی است. حال این باریکه بر روی سطح نمونه حرکت داده می شود. پرتوی الکترونی با سطح نمونه بر همکنش خواهد کرد و پرتو ها و الکترون های بازگشتی از سطح نمونه جمع آوری شده و مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.
پرتو الکترونی در برهمکنش با ماده می تواند رفتارهای متعددی از خود نشان دهد مثلا:
۱- بی تأثیر بوده و از نمونه عبور نماید؛
۲- به طور الاستیکی پراکنده شود که بدون تغییر انرژی ،جهت آن تغییر می نماید؛
۳- پراش یافته
۴- به طور غیرالاستیکی پراکنده شود که در انرژی و جهت آن تغییر ایجاد گردد؛
۵-یا در نهایت ممکن است جذب شود.
که از رفتار های بالا برهمکنش الاستیک و غیرالاستیک مطلوب کار SEM بوده و در آن مورد بررسی قرار می گیرد.
اجزای اصلی یک میکروسکوپ الکترونی یا SEM را میتوان اینگونه نام برد:
۱- تفنگ الکترونی: مسئول ایجاد باریکه الکترونی اولیه
۲- لنزها و روزنه‌ها: برای تنظیمات باریکه های الکترونی (متراکم کردن، تنظیم شدت و …) و مسیر ها استفاده می گردند.
۳- سیستم روبش: مسئول به حرکت درآوردن باریکه الکترونی روی سطح نمونه است.
۴- محفظه نمونه وسیستم خلأ: برای دقت بالا و عملکرد صحیح تمام فرآیند ها در خلا انجام می پذیرد در محفظه ای شامل موارد مختلف مانند جایگاه نمونه، اهرم های جابه جا کننده، حسگرهای مختلف مانند حسگر فشار و …
۵- سیستم نمایش: برای نمایش داده های نهایی و نمایش عملکرد دستگاه
نمونه ای از عکس های گرفته شده با میکروسکوپ الکترونی یا SEM (scanning electron microscopy ) :
گلبول های قرمز و سفید خون، چشم مگس، مژه انسان، نخ و سوزن
تصویر سمت راست مربوط به گلبولهای قرمز خون که یک ویروس را احاطه کرده اند. وتصویر سمت چپ مربوط به چشم مگس می باشد.
آنالیز XPS یا طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس یا XPS ( X-ray photoelectron spectroscopy ) یکی از آنالیزهایی می باشد که براساس برهمکنش بین پرتوی ایکس و نمونه شکل گرفته است، XPS یک آنالیز قدرتمند برای ارزیابی سطح نمونه به شمار می رود که اولین بار در سال ۱۸۸۷ توسط هرتزو بر مبنای اثر فوتوالکتریک بنا شد. آنالیزXPS ، در حقیقت یک تکنیک کمی ـ طیفی است که در آن نوع عناصر و ترکیب شیمیایی عناصر موجود در سطح نمونه تا عمق تقریبی ۱۰ نانومتر مشخص میگردد. یعنی اگر قرار باشد که بفهمیم سطح ماده مجهولی که در اختیار داریم از چه اتمهایی و با چه پیوندهایی تشکیل شده است از آنالیز XPS کمک می گیریم.
برای توضیح این آنالیز لازم است ابتدا به توضیح اثر فوتوالکتریک بپردازیم،
اثر فوتوالکتریک:
پدیده ای کوانتومی است که در آن یک الکترون داخل اتم با دریافت انرژی یک فوتون ، از ماده جدا شده و در فضای اطراف ماده قرار می گیرد.
یک پارامتر مهم در این اثر تابع کار ماده است که به زبان ساده حداقل انرژی مورد نیاز برای جدا کردن یک الکترون از ماده است، بدیهی است این انرژی مربوط به جداساختن الکترون در تراز فرمی است. همانطور که می دانیم تراز فرمی خارجی ترین ترازی است که توسط الکترون ها اشغال شده و الکترون های درون آن کمترین وابستگی را به هسته دارند و هر چه به تراز های داخلی تر برویم، برای خارج کردن الکترونها از ماده و یا اتم مادر به انرژی بیشتری احتیاج داریم.
برای توضیح اثر فوتوالکتریک رابطه زیر مورد استفاده است:
که در آن hν انرژی فوتون جذب شده، انرژی پیوند الکترون یا انرژی مورد نیاز برای آوردن الکترون داخلی به سطح فرمی است، W همان تابع کار ماده و K انرژی جنبشی الکترون در هنگام خروج است. بدیهی است الکترون های مختلف انرژی های پیوند متفاوتی دارند.
حال به توضیح آنالیز XPS باز می گردیم،
در این آنالیز، پرتوی X به سطح نمونه تابیده می شود و سپس در نزدیکی سطح ماده در فاصله ۱ تا ۱۰ نانومتری الکترون های خروجی از ماده ردیابی می شوند و انرژی جنبشی آنها اندازه گیری می شود. با اندازه گیری تابع کار با توجه به پر انرژی ترین الکترون خروجی (که از سطح فرمی آمده) و با دانستن انرژی فوتون های پرتو X تابیده شده به نمونه و اندازه گیری انرژی جنبشی هر الکترون انرژی پیوند منحصر به فرد آن الکترون بدست می آید.
در طیف‌سنجی XPS ( X-ray photoelectron spectroscopy ) ، نموداری از تعداد الکترونهای ردیابی شده بر واحد زمان (محور عرضی نمودار) بر حسب انرژی پیوندی الکترونها (که با اندازه گیری انرژی جنبشی الکترونهای خارج شده از ماده و با کمک رابطه فوتوالکتریک) در ماده مورد آزمایش میباشد. هر عنصری در این نمودار، چند ماکزیمم منحصر به فرد به خود را دارد، که مشخصه آن عنصر میباشد. وجود ماکزیمم متعلق به هر عنصر در طیف بدست آمده از آنالیز یک ماده، گویای وجود آن عنصر در سطح ماده مورد آزمایش میباشد. ماکزیمم‌های مشخصه هر عنصر، با نحوه آرایش الکترونها در اتم آن عنصر، مرتبط میباشد و میتوان اطلاعاتی از موضع الکترونهای ردیابی شده در لایه‌های الکترون بدست آورد. هر چه میزان انرژی جنبشی اندازه‌گیری شده یک الکترون بیشتر باشد، گویای این واقعیت خواهد بود که انرژی پیوند آن کمتر بوده، لذا به لایه‌های اربیتالی بیرونی تر تعلق داشته است؛ بنابراین، الکترونهای لایه‌های داخلی، انرژی جنبشی کمتری خواهند شد و ماکزیمم مشخصه آنها در نمودار طیف‌سنجی، در سمت انرژی‌های بالای انرژی پیوندی خواهند بود. هر عنصر، دسته‌ای از ترازهای داخلی منحصر به فرد خود را دارد و انرژی پیوند این ترازها میتواند مثل اثر انگشتی برای شناسایی آن عنصر بکار رود.
میدانیم که در سطح آلمینیوم همیشه یک لایه نازک اکسید آلمینیوم وجود دارد. حال اگر با ( طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس ) XPS آنالیز کنیم، اطلاعاتی که از این آنالیز بدست می آوریم نشان دهنده اکسید آلمینیوم خالص است چون این آنالیز مخصوص بررسی سطح می باشد. اما اگر با EDAX آنالیز کنیم، اطلاعاتی که از این آنالیز حاصل می شود بیانگر آلمینیوم خالص می باشد، چونکه این آنالیز اطلاعات از حجم ماده به ما میدهد.
به طور کلی برای آنالیز های بنیادین ترکیبات شیمیایی و ساختار مواد از ایدکس استفاده میگردد. به وسیله ایدکس می توان نوع اتم های موجود در یک نمونه و یا ساختار را دریافت.
از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است:
منبع پرتو ایکس
آشکارساز پرتو ایکس
پروسسور پالس
و تحلیلگر
اساس کار ایدکس بر برانگیختگی الکترون های داخلی اتم ها با پرتوی ایکس استوار است.
می دانیم اتم ها از یک هسته و یک ابر الکترونی حول هسته ساخته شده اند. الکترون ها در تراز های گسسته ای با انرژی های متفاوتی قرار گرفته اند. ساختار الکترونی و تراز های انرژی مربوط به آن، برای هر یک از عناصر جدول تناوبی ساختاری منحصر به فرد است.
در مشخصه یابی به روش ایدکس با وارد آمدن پرتو ایکس به اتم های در حالت پایه (بدون برانگیختگی الکترونی در داخل اتم)، به علت انرژی بالای پرتو ایکس فرودی، یک الکترون از تراز های نزدیک هسته انرژی فوتون پرتو ایکس را جذب کرده و برانگیخته می شود پس به ترازی بالاتر می رود، به این ترتیب یک زوج الکترون_حفره ایجاد می گردد. جای خالی الکترون یا همان حفره ای که در تراز پایین تر ایجاد شده بود توسط یک الکترون دیگر (ثانویه) موجود در تراز بالاتری از ابر الکترونی پر می گردد. این الکترون ثانویه انرژی اضافه خود را به صورت فوتون تابش می نماید. این فوتون هم دارای طول موج پرتوهای ایکس است که انرژی آن برابر اختلاف انرژی تراز پایینی و تراز بالایی که الکترون ثانویه از آن آمده است، حال دتکتور دستگاه این فوتون تابش شده را ردیابی می کند. طول موج فوتون خروجی برای هر اتم منحصر به فرد است.
آشکارساز برای تبدیل انرژی پرتو ایکس ردیابی شده به سیگنال‌های ولتاژ استفاده میشود؛ این اطلاعات به پردازنده پالس فرستاده میشود که سیگنال‌ها را اندازه‌گیری میکند و آنها را برای تحلیل و نمایش داده‌ها به تحلیلگر انتقال میدهد. رایج‌ترین نوع آشکارساز در حال حاضر آشکارساز سیلیسیم/ لیتیم میباشد که با نیتروژن مایع در دمای بسیار پایین کار می کند.
میدانیم که در سطح آلمینیوم همیشه یک لایه نازک اکسید آلمینیوم وجود دارد. حال اگر با XPS انالیز کنیم، اطلاعاتی که از این آنالیز بدست می آوریم نشاندهنده اکسید آلمینیوم خالص است چون این آنالیز مخصوص بررسی سطح می باشد. اما اگر با EDAX آنالیز کنیم، اطلاعاتی که از این آنالیز حاصل می شود بیانگر آلمینیوم خالص می باشد، چونکه این آنالیز اطلاعات از حجم ماده به ما میدهد.
میکروسکوپ الکترونی عبوری یا آنالیز TEM : در این نوع میکروسکوپ اساس کار همان میکروسکوپ های نوری است که در آن به جای نور از باریکه الکترونی استفاده می گردد. کوچکترین ابعادی که میتوان توسط میکروسکوپهای نوری مشاهده کرد، در واقع به اندازه طول موج نوری است که با آن نمونه را مشاهده می کنیم به عنوان مثال اگر نور میکروسکوپ ما نور آبی با طول موج ۴۵۰ نانومتر باشد، در بهترین حالت ساختارهایی با ابعاد ۴۵۰ نانومتر را میتوان دید. حال برای دیدن جزئیات بیشتر باید از طول موج های کوتاه تر یا فرکانس های بالاتر استفاده کرد. که برای این کار از باریکه الکترونی که در یک میدان الکتریکی سرعت گرفته است استفاده می گردد.فرکانس (طول موج) باریکه ی الکترونی با توجه به سرعت آن تغییر خواهد کرد.
اجزای تشکیل دهنده:
تفنگ الکترونی
سیستم متمرکز کننده باریکه
عدسی های شیئی و عدسی های تصویری
محفظه نمونه و سیستم خلا
با کمک یک منبع الکترون در بالای میکروسکوپ ، الکترون ها گسیل و منتشر می شوند. الکترون ها از تیوب خلاء میکروسکوپ عبور می کنند. در میکروسکوپ های نوری از عدسی های شیشه ای برای متمرکز کردن نور استفاده می شود در حالی که در TEM از عدسی های الکترومغناطیسی استفاده می شود تا الکترون های باردار را جمع و متمرکز ساخته به صورت یک پرتوی باریک گسیل نماید. این پرتوی الکترونی از نمونه عبور داده می شود. بسته به چگالی مواد، الکترون ها ممکن است از بخش هایی از جسم بگذرند و به صفحه فلورسانس برخورد نمایند و تصویر سایه مانندی از نمونه ایجاد کنند که میزان تیرگی بخش های مختلف جسم به چگالی مواد در آن بخش ها وابسته است. هر چه جسم کم چگال تر باشد تصویر روشن تر خواهد بود. این تصویر می تواند مستقیما توسط اوپراتور و بدون نیاز به هیچ دوربینی مطالعه شود و یا با کمک یک دوربین تصویر برداری شود. دقت این میکروسکوپ در حدود ۲ نانومتر است.
در واقع TEM یک میکروسکوپ می باشد که توسط آن، ساختمان مواد مورد بررسی قرار میگیرد. هر چند به کمک این میکروسکوپ می توان به ساختار بلوری مواد نیز پی برد. در نمونه های دیگری از این میکروسکوپ که به HRTEM معروف هستند، حتی میتوان اتمها را به طور مستقیم مشاهده کرد.
نمونه ای از عکس تهیه شده از نانوذرات کریستالی به وسیله میکروسکوپ الکترونی عبوری:
برای تصویر برداری به کمک این میکروسکوپها، باید نمونه ها را برروی ظرف های سوراخ داری بنام گرید قرار داد. جنش گریدها اکثرا از جنس مس یا مس با روکش کربن هستند قرار می دهند. در زیر تصویر دو نمونه از گرید ها نمایش داده شده است.
اگر چه کربن می تواند با پیوند برقرار کردن با چهار اتم یک شبکه ی سه بعدی در الماس را ایجاد کند ، اما وقتی کربن با سه اتم کربن پیوند برقرار میکند یک ورقه ی دوبعدی ایجاد می شود . این ورقه ها را گرافنمی نامند .
گرافیت ماده ای است که در نوک مدادها از آن استفاده می شود و این ماده از ورقه های گرافن که بر روی هم انباشته شده اند تشکیل شده اند .بین ورقه های گرافندر گرافیت ، فضای خالی وجود دارد . همانطور که در شکل می بینید ، ورقه ها توسط نیروی واندروالانس به هم پیوند شده اند .
ورقه ها
ورقه ها همانطور که در شکل می بینید از اتم های کربن تشکیل شده اند که شکل شش گوش دارد و هر اتم کربن با پیوند کوالانسی به سه اتم دیگر متصل شده است .هر ورق تنها به اندازه ی یک اتم ضخامت دارد و به عنوان یک مولکول تنها در نظر گرفته می شود. گرافن ساختاری شبیه نانو لوله های کربنی دارد تنها تفاوت گرافن با این نانو لوله ها این است که به صورت مسطح هستند در حالیکه نانو لوله ها همانطور که قبلا نیز گفته شد به حالت استوانه ای می باشند .
خواص :
ورقه ها از اتم های کربن که به شکل شش گوش به هم پیوند شده اند تشکیل یافته است . هر اتم کربن با پیوند کوالانسی به سه اتم دیگر متصل است . به خاطر استحکام پیوند کوالانسی بین اتم های کربن ، گرافن استحکام کششی بسیار بالایی دارد . به علاوه گرافن ، بر خلاف باکی بالها و نانو لوله های کربنی ، به خاطر مسطح بودنش هیچ درونی ندارد . در باکی بالها و نانو لوله ها که هر اتم کربن بر روی سطح قرار دادرد تنها می تواند با مولکولهایی که آن را احاطه کرده اند واکنش و تعامل داشته باشد .
در گرافن هر اتم از دو طرف قابل دسترسی است و می تواند تعامل بیشتری با مولکولهای اطرافش داشته باشد . اتم های کربن تنها با سه اتم پیوند شده اند ، ولی توانایی اتصال به چهار اتم کربن نیز در آنها وجود دارد . این توانایی به همراه استحکام کششی بالا و نسبت سطح به حجم بالا ، این مواد را به یک ماده ی عالی برای ساخت کامپوزیتها تبدیل کرده است . محققان گزارش کرده اند که مخلوط گرافن در یک اپوکسی ، افزایش استحکامی برابر با نانو لوله ها را ایجاد کرده است .
خواص الکتریکی کلیدی آن حرکت و موبایلیته ی الکترونهاست . حرکت الکترونهای گرافن سریعتر از هر ماده ی دیگری است و محققان در حال گسترش ترانزیستورهایی بر روی آن هستند که سرعت بالایی دارد .یکی دیگر از کاربردهای جالب آن، استفاده از خاصیتی است که ورقه های گرافن تنها به اندازه ی یک اتم ضخامت دارند . محققان دریافته اند که آنها می توانند از نانو متخلخل ها برای آنالیز DNA استفاده کنند .
وقتی مولکول DNA از نانو متخلخل ها که ولتاژی به آنها وصل شده ، عبور میکنند ، محققان می توانند با استفاده از تغییر در جریان الکتریکی ساختار DNA را تشخیص دهند .از آنجایی که گرافن بسیار نازک است ، ساختار DNA وقتی از یک نانو متخلخل قرار گرفته بر روی ورقه های گرافن عبور میکند ، رزولوشون بالاتری خواهد داشت .
سبکی و نازکی :
هر چیزی که تنها به اندازه ی یک اتم ضخامت داشته باشد بسیار سبک خواهد بود .
خواص الکترونیکی :
یکی از مفیدترین خواص گرافن ، خاصیت الکترونیکی آن است . اتم های کربن ۶ الکترون دارند . ۲ تا از این الکترونها در پوسته ی داخلی و ۴ تای آن در پوسته ی خارجی قرار دارد . ۴ اتمی که در پوسته ی بیرونی قرار دارد می تواند در واکنشهای شیمیایی شرکت کرده و با اتم های دیگر تشکیل پیوند دهد . اما هر اتم کربن تنها به سه اتم دیگر متصل شده است ، و یک اتم به صورت آزاد قرار دارد . این الکترون آزاد الکترون Pi (π) نامیده می شود . این اوربیتالهای pi همپوشانی کرده و پیوند کربن-کربن در گرافن را بهبود می بخشد . اساسا ، خاصیت الکترونی آن به خاطر پیوند و ضد پیوند این اوربیتالهای پی است .
خواص نوری :
توانایی جذب ۲٫۳ درصد از نور سفید در گرافن یک خاصیت بسیار ویژه است .این موضوع به خاطر خاصیت الکترونیکی آن است که قبلا نیز گفته شد . الکترونها مانند حاملهای بار بدون جرم عمل میکنند .
در رشته حالت جامد، نیمه هادی های اکسید فلزی[۲] به دلیل حساسیت بالا به بازه وسیعی از گاز ها، وزن و اندازه کوچک، توان مصرفی بسیار پایین و امکان تولید انبوه با صرف هزینه نسیتاً پایین، در زمره جذاب ترین کاندیدا ها برای تولید سنسور های گازی هستند. اولین بار براتین، در سال ۱۹۵۳[۳]، نشان داد که رسانایی الکتریکی نیمه هادی ها با جذب و واجذب گاز ها بر روی سطح شان قابل تغییر است. این مقاله پیش درآمدی بر تحقیقات گسترده ای پیرامون نیمه هادی ها برای ساختن سنسور هایی شد که حضور گازی خاص و غلظت آن گاز را از طریق تغییرات رسانایی (یا معادل آن، تغییرات مقاومت) دستگاه آشکار کنند. نیمه هادی های اکسید فلزی در واکنش های اکسایش و کاهش گاز های موجود در محیط (که جذب سطحی به نیمه هادی شده اند) شرکت می کنند.، ، و در نهایت از ناحیه های فعال روی نیمه هادی های اکسید فلزی هستند که در واکنش اکسایش/کاهش شرکت می جویند. این یون ها، با توجه به درصد اکسید شدن نیمه هادی و درصد اکسیژن محیط، سطح نیمه هادی را می پوشانند. بازه دمایی معمول کارکرد این سنسور ها بین ۲۰۰ الی ۵۰۰ درجه سانتیگراد می باشد. بیشترین حضور روی سطح را در دماهای بین ۳۰۰ تا ۳۵۰ درجه را داراست، ولی در دماهای بالاتر بیشترین حضور دیده می شود. هنگامی که نیمه هادی در معرض هوا قرار می گیرد، جذب سطحی مولکول های آب و اکسیژن، ساختار باند های انرژی سطح نیمه هادی را نسبت به ساختار باند انرژی کپه ای آن تغییر می دهند. جذب سطحی اکسیژن باعث ایجاد تله های پذیرنده الکترون در سطح می شود و در نتیجه، باند انرژی در سطح نیمه هادی به سمت بالا خم می شود. خمش باند انرژی را می توان با معرفی پتانسیل سطحی () و ضخامت لایه بار فضایی () تقریب زد[۴]. در نیمه هادی های نوع مانند ، و این خمش باند انرژی باعث کاهش رسانایی و در نیمه هادی های نوع مانند و باعث افزایش رسانایی می گردد. حضور گاز های دیگر در محیط سبب تغییر دادن جمعیت مولکول های اکسیژن و آب جذب سطحی شده می شوند و خمش باند انرژی، و در نتیجه خواص الکتریکی نیمه هادی را تغییر می دهند. گاز های کاهنده[۵] مانند مونواکسید کربن و هیدروکربن ها با اکسیژن های جذب شده واکنش می دهند و جمعیت آن ها را روی نیمه هادی کم می کنند (که معادل است با افزایش رسانایی در نیمه رساناهای نوع ). بالعکس، گاز های اکساینده[۶] مانند ازون و دی اکسید نیتروژن در واکنش با سطح نیمه هادی، کاهیده شده و جمعیت اکسیژن های جذب شده را افزایش می دهند.
یکی از نیمه هادی هایی که به شدت مورد مطالعه قرار گرفته است ، می باشد. به جرات می توان گفت که اکسید روی، در میان تمام نانوساختار های دیگر، دارای بیشترین تنوع در ساختار و نیز کارکرد است. در شکل زیر نمونه هایی از ساختار های به دست آمده از اکسید روی را می بینید.
از خواص دیگر این ماده می توان به خاصیت پیزوالکتریکی[۷] و گاف انرژی بزرگ (فرابنفش)، که آن را مناسب برای آشکارسازی تابش فرابنفش می کند اشاره کرد. اکسید روی خالص شفاف است، ولی ورود ناخالصی هنگام فرآیند رشد سبب می شود نمونه های آزمایشگاهی به رنگ های قرمز، سبز و زرد دیده شوند. این تابش ها مرتبطند با نقص های ساختار بلوری این نیمه هادی. تابش نور سبز مربوط به جای خالی اکسیژن در ساختار بلور، نور قرمز مربوط به جای خالی روی و نور زرد مربوط به نقیصه های مختلف ساختاری بر روی سطح بلور اکسید روی هستند.
آشکارساز های نوری، به خصوص برای نور های مرئی، عمدتاً مبتنی بر سیلیکون بلوری است. ولی این سنسور ها قابلیت آشکار کردن طول موج های کمتر از یک میکرومتر را دارند و در نتیجه، طیف مادون قرمز را به کلی از دست می دهند. کاستی دیگر این سنسور ها جذب نسبتا ضعیف آنها در بازه کارکردشان است[۸]. از طرف دیگر، طول عمر زیاد الکترون و حفره ها در سیلیکون (که در الکترونیک یک نکته بسیار مثبت محسوب می شود) سبب پخش حامل های نوری و مبهم شدن تصویر می شود[۹]. نیمه هادی ها با جذب نور و تبدیل آن به زوج الکترون و حفره، قابلیت تبدیل سیگنال های نوری به جریان الکتریکی را با بازده بالایی دارند. پس همانند سنسور های گازی، مسئله آشکار سازی نور در اولین قدم به خواندن جریان بر حسب زمان یا جریان بر حسب ولتاژ نمونه تحویل می شود. در این حوزه علاوه بر و سایر نیمه هادی هایی که از آنها یاد شد، گرافین و مولیبدن دی سولفید نیز کاربردهای فراوان پیدا کرده اند. این دو نانوساختار، نانوساختار های دو بعدی هستند. از نکات مثبت استفاده از آنها، ترکیب راحت آنها با سایر نانوساختارها (با نیروی وان در والسی) و بهره برداری از خواص هر دو نانوساختار است. در شکل زیر دو دستگاه شماتیک مبتنی بر هر دو این ساختار های دو بعدی نمایش داده شده اند[۱۰].
[۸] Herzinger, C. M., Johs, B., McGahan, W. A., Woollam, J. A. & Paulson, W. Ellipsometric determination of optical constants for silicon and thermally grown silicon dioxide via a multi-sample, multi-wavelength, multi-angle investigation. J. Appl. Phys. 83, 3323–۳۳۳۶ (۱۹۹۸).
[۹] Minoglou, K. et al. Reduction of electrical crosstalk in hybrid backside illuminated CMOS imagers using deep trench isolation. 2008 IEEE Int. Interconnect Technol. Conf. 129–۱۳۱ (۲۰۰۸).
[۱۰] Chen, Hongyu, et al. “Nanostructured Photodetectors: From Ultraviolet to Terahertz.” Advanced Materials ۲۸٫۳ (۲۰۱۶): ۴۰۳-۴۳۳٫
یک روش مرسوم تولید تک بلور سیلیکون، روش Czochraski (CZ) Crystal growing است. سیلیکون های مورد استفاده در آی سی ها عمدتا از این روش تولید می گردند. در این روش Si با خلوص مناسب را درون کوره (از جنس کواترز با پوشش گرافیت) به وسیله دادن حرارت توسط هیتر کربنی مذاب می نمایند. سپس یک قطعه بلور سیلیکون کاملا کریستالی را در نوک یک میله قرار می دهند. این میله را درون مایع مذاب سیلیکون وارد می نمایند. این میله به آرامی درون سیلیکون مذاب شروع به چرخش می کند و آرام آرام از آن خارج می گردد. در طی این فرآیند اتم های سیلیکون درون مایع مذاب به آرامی روی سیلیکون بلوری در سر میله با نظم بلوری کریستال اولیه قرار می گیرند و بدین ترتیب کم کم کریستال اولیه به واسطه ی قرار گیری اتم های جدید در اطرافش با همان نظم بلوری اولیه رشد می کند. شکل زیر شماتیک این روش را نشان می دهد.
این قطعه حاصل کریستالی را ingot می نامند. قطعه کریستالی خارج شده در نهایت با روش هایی همچون استفاده از لیزر به صفحات و قطعات کوچکتر تقسیم می گردد. (شکل های زیر)
برای بهبود این روش از میدان های مغناطیسی بهره می برند.
روش دیگر روش تولید تک بلور سیلیکون، روش Float Zone Crystal Growth است.
در این روش یک کریستال منظم و تک بلوری کریستال در انتهای یک پلی کریستال سیلیکون قرار می گیرد. پلی کریستال مجموعه ای از میلیون ها قطعه ی بلوری کوچک سیلیکون است که با جهت گیری کاتوره ای در کنار هم قرار گرفته اند. یک سیم پیچ در دور این مجموعه قرار می گیرد که با عبور جریان از آن پلی کریستال به صورت موضعی مذاب می گردد. این سیم پیچ در طول استوانه ی پلی کریستال به آرامی شروع به حرکت می کند و بلافاصله بعد از گذشتن سیم پیچ از یک ناحیه اتم های مذاب شده با نظم بلوری جدید کریستالی و جامد می گردند. این روند ادامه می یابد تا کل پلی کریستال به صورت یک تکه کریستال منظم در بیاید. یعنی پلی کریستال در حین فرآیند در نواحی کوچکی ذوب می گردد و هر ناحیه در هنگام جامد شدن پس از ذوب نظم بلوری قسمت قبل را می گیرد. شماتیک این روش در زیر آمده است.
سیلیکون حاصل از این روش نسبت به روش اول خلوص بالاتری دارد. در روش اول به علت حضور اکسیژن در محیط و بوته ی دارای اتم های کربن، ناخالصی هایی از جنس کربن و اکسیژن در سیلیکون وجود دارد.
به طور کلی به فرآیند تزریق ناخالصی ها درون سیلیکون (برای بدست آوردن سیلیکون های نوع N یا P و یا تغییر میزان و یا نوع ناخلصی ها) dopping می گویند.
سیلیکون های بدست آمده از روش های بالا عموما از نوع N-type هستند. برای تولید سیلیکون P-type ناخالصی هایی از جنس موادی چون بور و نیتروژن، باید به داخل بلور سیلیکون وارد گردد. به همین علت سیلیکون های نوع P قیمت بالاتری دارند.
اکسید سیلیکون یا Silicon Oxide
برای ایجاد لایه SiO2 بر روی بلور سیلیکون، سیلیکون بلوری درون کوره ای در دمای بالا به همراه گاز اکسیژن (برای ضخامت بیشتر سطح اکسید شده می توان از پلاسما استفاده کرد.) قرار می گیرد. بسته به مواردی از جمله دمای کوره، فشار گاز اکسیژن، زمان قرار گیری بلور سیلیکون در کوره و … اتم های اکسیژن تا عمقی درون سطح سیلیکون نفوذ می کنند و سطح روی بلور اکسید می گردد. البته این عمق نفوذ محدود است و در بهترین شرایط هم از یک مقدار حدی فراتر نخواهد رفت.
میکروفلوییدیک، هم علمی است که به مطالعه رفتار مایعات در داخل کانالهای میکرومتری می پردازد و هم تکنولوژی است مربوط به ساخت کانالها و محفظه هایی با ابعاد میکرومتری که مایعات از داخل آنها عبور می کند.
میکروفلوییدیک با حجم های بسیار کمی (بعضا تا چند فمتو لیتر) از مایعات سر و کار دارد. مایعات در ابعاد میکرومتر، رفتار بسیار متفاوتی از حالت عادی خودشان نشان میدهند. در واقع همین رفتار عجیب و ویژگی های منحصر به فرد مایعات در ابعاد میکرومتری، کلید اصلی آزمایشهای علمی دانشمندان در این حوزه می باشد.
در واقع هدف از تحقیق در حوزه میکروفلوییدیک، مجتمع سازی تمامی کارهایی که در یک آزمایشگاه انجام می شود، بر روی یک میکرو چیپ است، چیپی به مساحت چند سانتی مترمربع.
چیپ های میکروفلوییدیک:
این چیپها یک طرحی از میکروکانالهایی هستند که یا قالب ریزی شده اند و یا بر روی زیرلایه مناسب حکاکی شده اند. این شبکه از میکروکانالها که بر روی میکرو چیپ درست می شوند، توسط حفره هایی به محیط بیرون وصل می شوند تا از این طریق، مایعات را بتوان وارد میکروکانالها نمود و همچنین از آنها خارج کرد.
هدف از ساخت میکروکانالها، جهت دهی، مخلوط کردن، جدا کردن و همچنین دستکاری مایعات می باشد.
برای کنترل دقیق محلولها داخل میکروکانالها، ادوات و سیستمهای مخصوصی مورد نیاز است. این ادوات هم میتوانند به صورت جاسازی شده ( Embeded ) داخل میکروچیپ قرار بگیرند مانند Quake valve ها و هم بیرون از میکروچیپ شاره ها را کنترل کنند مانند کنترلرهای فشار.
فواید میکروفلوییدیک:
ادوات میکروفلوییدیک، وسایل بسیار مناسبی برای بررسی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی مایعات و گازها در ابعاد میکرومتر می باشند. در واقع ادوات میکروفلوییدیک، فواید بسیار زیادی در مقایسه با سیستمهای رایج کنونی برای
آنالیز شاره ها را دارند.
به عنوان مثال فقط با یک چیپ میکروفلوییدیک می توان چندین آنالیز محلول و یا حتی به صورت همزمان ترکیب چند محلول را انجام داد در حالیکه به طور معمول نیازمند چندین دستگاه می باشیم.
برخی دیگر از ویژگی های چیپ های میکروفلوییدیک را می توان به صورت زیر نام برد
کیفیت عالی دیتاها
کنترل بسیار عالی بر روی پارامترهای مختلف
اتوماتیک بودن بسیاری از مراحل آزمایش توسط چیپ در حالیکه کارایی آزمایش در حد بسیار بالایی حفظ می شود.
آنالیز نمونه
یکی از مهمترین ویژگی های چیپ میکروفلوییدیک، قابلیت انجام چندین کار پشت سر هم بدون دخالت زیاد آزمایشگر با کیفیت بالایی می باشد. به عنوان مثال فرض کنید که قرار است ابتدا ۲ محلول را با هم مخلوط کنید سپس تا دمای ۶۰ درجه سانتیگراد، آنها را گرم کنید و در مرحله بعدی یک نمودار CV از آنها بگیرید و پس از انجام آنالیز محلول موجود را با مایع سوم مخلوط نمایید. چه مقدار هزینه و زمان و فضا نیاز دارید. تمام این مراحل را می توان فقط به کمک یک چیپ میکروفلوییدیک کوچک با دقت بسیار بالا و کیفیت عالی به صورت اتوماتیک انجام داد.
کارایی این چیپ ها بسیار گسترده می باشد و طیف وسیعی را شامل می شود: از آشکارسازی مواد سمی گرفته تا آنالیز DNA و یا حتی نازل پرینترهای رنگی با Dpi بالا.
خود میکروفلوییدها نیز ویژگی های بسیار جالبی دارند از جمله آنها می توان موارد زیر را بیان نمود:
زمان کم برای برهمکنش مواد شیمیایی با یکدیگر
افزایش حساسیت در شناسایی مواد شیمیایی
افزایش دقت برای کنترل دما
پرتابل بودن
اتوماتیک بودن خیلی از مراحل
قابلیت انجام بسیاری از مراحل یک تست یا آزمایش به صورت موازی
قابلیت انجام چندین آزمایش بر روی یک چیپ
ارزان بودن در مقایسه با روشهای معمول برای آنالیز و ساخت
آزمایشگاهی بر روی یک چیپ(LAB-ON-CHIP)
به وسیله ای گفته می شود که میتواند چندین آزمایش و آنالیز را در ابعاد بسیار کوچکی انجام بدهد در حالیکه به طور معمول این کارها در یک آزمایشگاه مجهز انجام می شود. این وسیله چندین تکنیک با دقت بالا مانند آنالیز مواد شیمیایی، تست شاره ها، سنتز و … که در آزمایشگاه انجام میگیرد را مجتمع سازی نموده و به صورت خودکار بر روی یک چیپ کوچک انجام میدهد. انجام این آزمایشها و تست ها بر روی چنین چیپی فواید زیادی دارد. مثلا: آنالیز نمونه ها دقیقا همانجایی انجام می شود که تولید شده است و دیگر نیازی به جابجا کردن نمونه پس از تولید برای انجام تست نمی باشد، کنترل رفتار شاره ها در این ابعاد بسیار راحت تر است، بر هم کنش مواد با یکدیگر در این ابعاد بهتر انجام می شود، هدر رفت مواد شیمیایی کاهش می یابد و … .
مدل دیگر LOC ها، Organ-On-Chip می باشد. در واقع در این چیپها تلاش می شود که شرایط محیطی مناسبی برای سلولها و باکتریها و یا حتی بافتهای زنده فراهم شود، دانشمندان تلاش می کنند تا به کمک این چیپ ها بتوانند به بررسی برخی بیماریها و درمان آنها بپردازند.
تاریخچه میکروفلوییدیک:
تاریخ شروع میکروفلوییدیک را می توان به جرات دهه ۵۰ میلادی نامید، زمانی که اولین ترانزیستور ساخته شد و زمان ظهور میکروتکنولوژی بود. در همین دهه بود که اولین لوله های کوچک برای انتقال رنگ در پرینترها ساخته شد.
در دهه ۶۰ میلادی کامپیوترها کوچکتر شدند و اولین مدار مجتمع و اولین میکروپروسسور ساخته شد. تکنولوژی فوتولیتوگرافی توسعه یافت و در این دهه بود که توانستند هزاران ترانزیستور را بر روی ویفر سیلیکونی بسازند. در این دهه بود که از این تکنولوژی برای ساخت سنسور فشار نیز استفاده شد.
در سال ۱۹۷۹ اولین دستگاه کروماتوگراف گازی که شامل ادوات مکانیکی در ابعاد میکرومتر بود به کمک سیلیکون ساخته شد.
دهه ۸۰ میلادی مصادف بود با ظهور ادوات جدیدی بنام سیستمهای میکرو-الکترو-مکانیک (MEMS) ، که به شدت در صنعت کاربرد داشتند. در پایان دهه ۸۰ میلادی اولین میکروشیر (Micro Valve) و میکروپمپ به این روش ساخته شد. در سالهای بعدی سیستمهای آنالیزی بسیاری که بر اساس سیلیکون بودند ساخته شده و یا ارتقا پیدا کردند. در این زمان ادوات میکروفلوییدیک نیز بر پایه شیشه و یا سیلیکون ساخته می شدند که نیازمند تکنولوژی بسیار بالایی بود و هر کسی توانایی ساخت چنین ادواتی را نداشت.
در دهه ۹۰ میلادی، محققان، زمان زیادی را صرف تحقیقات گسترده ای برای استفاده از MEMS در بیولوژی، شیمی و پزشکی کردند تا بتوانند میکروفلوییدها را در کانالهای میکرومتری کنترل کنند.
در اواخر دهه ۹۰ میلادی، به کمک فوتولیتوگرافی، چیپ های میکروفلوییدیک ارزان که بر پایه، قالب ریزی پلمیرها بود، ساخته شد.
بعد از سال ۲۰۰۰ میلادی، میکرو کانالهایی که به کمک قالب ریزی پلیمرها (مانند PDMS ) ساخته می شدند به شدت افزایش یافت. از این سال به بعد بسیاری از آزمایشگاه ها در دنیا، به دلیل پایین بودن هزینه ساخت و همچنین ارزان بودن این روش در مقایسه با روشهای قبلی، به ساخت و تحقیق در زمینه میکروفلوییدیک پرداختند. امروزه، میکرو پمپ ها، میکروشیر ها، مخلوط کننده ها، و باقی ادوات مورد نیاز به راحتی در دسترس قرار دارند.
زمینه های مرتبط با میکروفلوییدیک
۱- ساخت ادوات میکروفلوییدیک: در واقع برای ساخت این ادوات باید، با میکروفبریکیشن (MicroFabrication) آشنایی کامل داشت تا بتوان کانالها و مسیرهای میکرومتری مورد نظر را با دقت مناسب ساخت.
۲- میکروالکترونیک و میکروفلوییدیک: میکروالکترونیک با کوچک سازی و طراحی ادوات الکترونیکی بیشتر سرو کار دارد. این روش به ساخت ترانزیستور و قطعات الکترونیکی در ابعاد میکرومتری می پردازد و برای این کار از روشهای مختلفی مانند، فوتولیتوگرافی، زدایش (Etching) و ایجاد اتصال الکتریکی (Bonding) استفاده می کند. در بسیاری از زمینه های میکروفلوییدیک، برای اندازه گیری و آنالیز نیازمند قطعات و ابزار الکترونیکی می باشیم که معمولا از میکروالکترونیک استفاده می شود.
۳- الکتروشیمی و میکروفلوییدیک: الکتروشیمی به مطالعه روابط بین جریان الکتریکی و واکنش های شیمیایی می پردازد. به همین خاطر، ادوات مربوط به شناسایی و آنالیز الکتروشیمی(مانند دستگاه سیکلوولتمتری) نیز به همراه کانالهای یک چیپ میکروفلوییدیک ساخته می شود تا در آنالیز محلولها کمک کند.
مواد مورد استفاده برای ساخت چیپ های میکروفلوییدیک:
میکروساختارهای اولیه که برای میکروفلوییدیک مورد استفاده قرار می گرفتند از جنس سیلیکون و یا شیشه بودند. در واقع کانالهای میکرومتری به دو روش مختلف بر روی سطح سیلیکون ایجاد می شد، که کاری بسیار پرهزینه و پیچیده بود. موادی مانند شیشه یا سیلیکون، نیازمند، صرف هزینه و زمان زیادی بود. برای غلبه بر این مشکلات، چیپ های میکروفلوییدیک بر مبنای پلیمر ساخته شد. در واقع می شود بجای استفاده از سیلیکون یا شیشه که هزینه بالایی دارند از پلیمرها استفاده کرد. هر چند ذکر این نکته خالی از لطف نیست که هر یک از زیرلایه ها مانند شیشه، سیلیکون و یا حتی پلیمر مزیت ها و مشکلات خود را دارند.
ویفر سیلیکونی برای میکروفلوییدیک:
سیلیکون، اولین ماده ای بود که برای ساخت ادوات میکروفلوییدیک مورد استفاده قرار گرفت. امروزه به دلیل گران بودن و تیره بودن آن که مانع دیده شدن کاانالها می شود و هزینه ساخت بالایی که دارد، از اقبال کمتری برخوردار است. از طرفی سیلیکون به علت سطح بسیار صاف( پستی و بلندی کمتر از ۵ آنگستروم) و پایداری شیمیایی بالا و همچنین رسانندگی الکتریکی خوب به عنوان یکی از گزینه های مناسب برای ساخت ادوات میکروفلوییدیک همچنان مطرح است.
شیشه برای میکروفلوییدیک:
ماده دیگری که از همان ابتدا مانند سیلیکون مورد استفاده قرار گرفت، شیشه بود. ویژگی های بسیار خوب شیشه عبارت بودند از: پایداری بسیار بالای شیمیایی، عدم جذب آب، عدم شرکت در واکنش های شیمیایی، شفافیت، سطح بسیار صاف و تحمل فشار بالا. اما شیشه نیز مانند سیلیکون یک ایراد دارد: هزینه بالا برای ساخت میکروکانال در شیشه.
پلیمر برای میکروفلوییدیک:
پلیمرها به طور گسترده ای در ساخت ادوات میکروفلوییدیک استفاده می شوند. دلیل استفاده زیاد پلیمرها در ساخت ادوات میکروفلوییدیک، ارزان بودن، مقاومت خوب در عین حالیکه سازگاری قابل قبولی به لحاظ شیمیایی و بیولوژیکی داشتن است. یکی از پلیمرهایی که در ساختن چیپ های میکروفلوییدیک به شدت پرکاربرد است، پلیمر PDMS می باشد.
نحوه ساخت یک میکروکانال به کمک پلیمر:
ابتدا طرحی که مد نظر ماست را طراحی میکنیم و آن را بر روی یک فوتوماسک پرینت می کنیم. سپس طرح مورد نظر را به کمک روش فوتولیتوگرافی، بر روی یک فوتورزیست دلخواه مانند PMMA و یا SU8 الگودهی می کنیم. پس از الگودهی فوتورزیست، پلیمر PDMS را بر روی الگوی لیتوگرافی شده میریزیم و در دمای مناسب قرار می دهیم تا خشک شود. پس از خشک شدن پلیمر، می توانیم آن را از فوتورزیست جدا کنیم. در این مرحله، PDMS مانند یک مهر می باشد که شکل مورد نظر ما را به خود گرفته است و میکروکانالها بر روی آن ایجاد شده است. ای مهر را در مرحله نهایی به هر زیر لایه دیگری مانند شیشه، سیلیکون و یا یک PDMS تخت و صاف میتوان چسباند.
فوتو لیتوگرافی ( لیتوگرافی با فوتو رزیست ) به طور کلی انتقال شکل هندسی طراحی شده روی یک ماسک، به یک قطعه یا لایه نازک است. یا به عبارت دیگر الگودهی به لایه های نازک و قطعات خاص به وسیله لیتوگرافی صورت می گیرد. در شکل زیر تمام مراحل مربوط به فوتولیتوگرافی به صورت شماتیکی نمایش داده شده است.
به طور کلی در لیتوگرافی از رزیست ها که نوعی پلیمرند، استفاده می گردد. رزیست ها به دو دسته کلی مثبت و منفی تقسیم می شوند. که در اثر قرار گرفتن در تابش نور پیوندهای آن در نوع مثبت (منفی) سست تر (محکم تر) می گردد.
مراحل لیتوگرافی با فوتورزیست مثبت:
-تمیز کردن سطح
-لایه نشانی فوتورزیست روی سطح نمونه با دستگاه اسپین کوتر
هر چه سرعت چرخش لایه بیشتر باشد، لایه فوتورزیست ایجاد شده نازک تر می گردد.
-گرمادهی به فوتورزیست برای خروج گازهای اضافی و خشک شدن لایه فوتورزیست روی لایه اصلی
-تنظیم و قرار دادن ماسک. ماسک لایه شفافی است که طرح مورد نظر روی آن به صورت تیره نقش بسته است.
نمونه ای از ماسک تهیه شده در ۳etop
– نوردهی با طول موج مناسب. در این مرحله پیوند شیمیایی قسمت هایی از فوتورزیست که به آن نور تابانده می شود، سست می گردد.
– پاک کردن لایه سست شده فوتورزیست با حلال مخصوص( development )، پس از این مرحله روی لایه اولیه یک لایه فوتورزیست باقی می ماند که دقیقا طرح ماسک را به خود گرفته است.
-زدودن قسمت های بدون پوشش فوتورزیستی لایه به وسیله حلال مخصوص(مرحله Etching)
-گرمادهی به طرح فوتورزیستی ایجاد شده روی لایه برای مستحکم تر شدن آن(Post Baking)
-پاک کردن لایه فوتورزیست از روی لایه
در مرحله نوردهی می توان لایه فوتورزیست را به شکلی نور دهی کرد که الگویی هم اندازه با ماسک روی آن ایجاد گردد ( یک به یک ) یا به وسیله چند عدسی به نحوی نور دهی نمود که طرح کوچکتری از ماسک روی لایه بیفتد. که نوع دوم را لیتوگرافی کاهش یافته(reduction) می گویند.
اگر به جای رزیست مثبت از نوع منفی استفاده گردد. مکان های قرار گرفته در زیر قسمت شفاف ماسک که نور می خورند باقی می مانند و طرحی که ایجاد می شود مکمل طرح ایجاد شده با فوتورزیست مثبت خواهد بود.
نمونه کارهای لیتوگرافی شده:
کپی برداری از سایت با ذکر منبع(۳etop.ir) بلا مانع است.
فرآیندی است که طی آن طرح و الگوی دلخواه را با دقت بالا بر روی سطح مورد نظر ایجاد می کنند.دسترسی به دقت بالا، ورود به دنیای میکروسکوپی، سرعت پاسخ دهی بالا، اندازه کوچک قطعات و هزینه پایین ازجمله ویژگیهای لیتوگرافی میباشد.
لیتوگرافی در گستره وسیعی از صنایع کاربرد فراوانی دارد که از آن جمله میتوان به ساخت انواع حسگرها نظیر شتابسنج ها، فشارسنج ها، حسگرهای نوری وگازی و نیز انواع محرکها اشاره کرد. یکی از کاربردهای دیگر این دستگاه در ساخت آزمایشگاههای میکرومتری بر روی یک تراشه میباشد که امروزه در جهان گسترش فراوانی پیدا کرده است. این گستره بسیار وسیع از کاربرد لیتوگرافی را به پدیدهای راهبردی در صنعت و تحقیقات نوین تبدیل نموده است. برخی از کارهای انجام شده بوسیله فرآیندهای لیتوگرافی را در تصویر زیر مشاهده میکنید.
یکی از اهداف نانو فناوری، پیشرفت در زمینۀ الکترونیک و علوم کامپیوتر، برای ساخت حافظه ها و تراشه های با قابلیت بیشتر، و هزینۀ کمتر است. دستیابی به اهداف در این زمینه نقصهای بسیاری در ماشین ها را برطرف خواهد کرد. به خصوص ساخت حافظهها و اسمبلرها انقلاب عظیمی در صنعت الکترونیک ایجاد خواهند کرد.
در دهه گذشته بسیاری از ابزارهای میکروالکترومکانیکی توسعه یافته و بسیاری از کاربردهای آنها تجاری شده اند. MEMS عموماً با استفاده از ماشینکاری سیلیکون (لیتوگرافی) تولید می شوند؛ ابزارهای تولیدشده با این روش ها، ساختارها و اجزای منفردی دارند که در مقیاس میکرومتری هستند. اخیراً تعداد زیادی از سیستمهای نانوالکترومکانیکی با هدف کوچک سازی بیشتر طراحی شده و توسعه یافته اند. NEMS ابزارهای الکترومکانیکیای هستند که ساختارها و اجزای منفردی در مقیاس نانومتری دارند.
عناصر قطعات MEMS از طریق فرآیندهای ماشین کاری میکرونی تولید می‌شوند به این ترتیب که بر حسب مورد، قسمتهایی از ویفر برداشته‌شده یا لایه‌های جدیدی به آن اضافه میشود. MEMS با تلفیق میکروالکترونیک سیلیکونی با فناوری ماشین کاری میکرونی، نوید تحول را در تقریباً هرنوع محصولی میدهد تا به این ترتیب به “نظام روی یک تراشه” جامه عمل بپوشاند. MEMS فناوری واقعاً توانایی است که با درک و کنترل قابلیتهای “میکرو حسگرها” و “میکرو محرکها” و به همراه آوردن توانایی محاسبات دستگاههای میکروالکترونیکی، موجب پیشرفت در تولیدات هوشمند میشود. MEMS همچنین فناوری بسیار گسترده و مستعدی است، چه در کاربرد و چه در نحوه ساخت و طراحی ابزارها.
اگرچه وسایل MEMS خیلی کوچک اند (مثلا” MEMS دارای موتورهای الکتریکی کوچکتر از قطر موی انسان است) ولی اهمیت فناوری MEMS فقط به اندازه آنها مربوط نمی‌شود. علاوه بر این، MEMS فقط به پایه سیلیکونی محدود نمی‌شود، هرچند سیلیکون به دلیل داشتن خواص عالی به یک انتخاب جالب توجه برای مصارف مکانیکی با کیفیت بالا تبدیل شده است. (مثلا” نسبت استحکام به وزن برای سیلیکون از خیلی از مواد مهندسی دیگر بالاتر است، که ساخت وسایل مکانیکی با پهنای باند وسیع را ممکن می‌سازد). در عوض، MEMS فناوریای است که راه جدیدی برای ایجاد سیستمهای الکترومکانیکی با فناوری تولید ناپیوسته ارائه میدهد، مانند تولید مدارهای مجتمع که باعث تولید عناصر الکترومکانیکی در کنار قطعات الکترونیکی میشود.
این فناوری جدید، مزایای متعددی دارد: اول اینکه MEMS فناوری گسترده‌ای است که بالفعل میتواند تأثیر مهمی بر انواع تولیدات تجاری و نظامی بگذارد. لذا ماهیت فناوری MEMS و کاربردهای متعددش، آن را از فناوریهای مرسوم حتی مدارهای مجتمع و ریزتراشه‌ها فراگیرتر نموده است. دوم اینکه MEMS ارتباط بسیار عمیقی را بین سیستمهای مکانیکی پیچیده و مدارهای مجتمع الکترونیکی ایجاد میکند که سبب به مه پیوستگی عمیق و کارساز میکروالکترونیک و مکانیک میشود.
حسگرها و محرکها عموماً گران قیمت‌اند، به علاوه سیستمهای الکترونیکیِ محرکها و حسگرها در ابعاد بزرگ قابل اعتماد نیستند. فناوری MEMS امکان ساخت سیستمهای میکروالکترومکانیکی را با استفاده از تکنیکهای ساخت ناپیوسته فراهم کرده که موجب کاهش قیمت و افزایش اعتبار حسگرها و محرکها میشود. جالب اینکه، انتظار می‌رود کارآیی دستگاهها و ابزارهای MEMS بالاتر از عناصر و سیستمهای مقیاس ماکرو و قیمت آن خیلی پایین‌تر از آنها باشد. به عنوان یک نمونه جدید از فواید فناوری MEMS میتوان به شتاب‌سنجهای MEMS اشاره کرد، که به سرعت جایگزین شتاب‌سنجهای مربوط به سیستمهای کیسه هوا در اتومبیل میشود. شتابسنج MEMS خیلی کوچکتر، کارآمدتر، سبکتر و قابل اعتمادتر بوده و قیمتی بسیار کمتر از شتاب‌سنجهای مرسوم دارد.
در تصاویر زیر برخی از ادوات ایجاد شده بوسیله این روش را مشاهده میکنید.
کپی برداری از سایت با ذکر منبع(۳etop.ir) بلا مانع است.
یا حسگر استرین سنسوری است که مقاومت آن با اعمال نیرو یا استرین تغییر می کند. این حسگر توانایی حس کردن نیرو، فشار، خمش و کرنش ، وزن و… را دارا می باشد. تغییرات در مقاومت به خاطر اعمال استرین به عنوان پاسخ حسگر به راحتی قابل بررسی است. یعنی با اندازه گیری مقاومت یک استرین گیج می توان به میزان استرین موجود در سطحی که استرین گیج روی آن چسبانده شده پی برد.
نمونه چند استرین گیج:
حسگر استرین یکی از مهمترین سنسور های الکتریکی است و پارامتر های مکانیکی را به صورت کمی و الکترونیکی اندازه گیری می کند. به طور کلی استرین به صورت کششی یا فشاری است. که به علت رویداد های مختلف از جمله وارد شدن نیرو یا فشار و دیگر پارامتر های خارجی یا تاثیرات داخلی در جسم مورد نظر ایجاد می گردد.
استرین به صورت مقدار تغییر شکل به ازای واحد طول شئ هنگامی که نیرویی به جسم اعمال می شود، تعریف می شود. استرین از طریق تقسیم جابه جایی کل بر طول اولیه محاسبه می شود.
استرین می تواند در جسم به علت های مختلفی ایجاد گردد. از جمله: نیرو، فشار، ضربه، گرما، تغییرات ساختاری ماده ، جابه جایی، لرزش و موارد مشابه دیگر. در کاربرد های عملی سنجش استرس و استرین بسیار مورد توجه است.
یک پارامتر مهم برای استرین گیج ها که نمایشگر میزان حساسیت آنها به استرین اعمالی است ضریب حسگری نام دارد. که به صورت زیر تعریف می شود:
که در آن برابر تغییر مقاومت در اثر اعمال استرین ، ? استرین و R مقاومت اولیه استرین گیج است.
از دیگر پارامترهای مهم برای یک استرین گیج مقدار تغییر مقاومت آن با دماست که هر چه کمتر باشد تغییرات مقاومت را می توان با اطمینان بیشتری به استرین اعمال شده نسبت داد. پارامتهای مهم دیگر تغییرات ضریب حسگری با دما و استقامت استرین گیج است.
قسمت های اصلی استرین گیج عبارتند از:
شبکه سیمی حساس به استرین
پد های مخصوص اتصال سیم ها
سیم های خروجی
لایه نگدار شبکه حساس
مواد و لایه های محافظ
در هنگام نصب استرین گیج باید به موارد زیر دقت کرد:
سطح زیرین کاملا تمیز شود. ( با موادی چون الکل و استون و در صورت لزوم به کمک سمباده تمیز گردد.)
از چسب های مخصوص و استاندارد استفاده گردد.
قسمت حساس (شبکه سیم های) استرین گیج بر روی ناحیه دارای استرین چسبانده شود.
کپی برداری از سایت با ذکر منبع(۳etop.ir) بلا مانع است.
اپوکسی یک پلیمر گرماسخت است؛ که از دو ماده ی شیمیایی مختلف تشکیل شده است. این دو ماده را با نام رزین و سخت‌کننده یا فعال‌ساز یا هاردنر می‌شناسند. رزین از مونومرها یا پلیمرهایی با زنجیر کوتاه که در انتهایشان یک گروه اپوکساید قرار دارد تشکیل میشود؛ و هاردنر از دو نوع سیکلو آمین و پلی آمید تشکیل می‌گردند، که نیاز است برای خشک شدن با رزین به خوبی مخلوط شود و طی زمان مشخصی پیوند تکمیل شده و خشک میگردد.
ساختار شیمیایی اپوکسی‌ها این اجازه را میدهد که پلیمرهای گوناگونی با خواص بسیار متفاوت تولید شود. به طور کلی اپوکسی‌ها را به خاطر چسبندگی، مقاومت شیمیایی و گرمایی، خواص خوب یا حتی عالی مکانیکی، و مقاومت الکتریکی بسیار خوب آنها نسبت به اکثر رزینهای دیگر می‌شناسند. بسیاری از خواص اپوکسی‌ها را میتوان تغییر داد، برای مثال اپوکسی‌های پرشده از نقره که رسانایی الکتریکی خوبی دارند یا اپوکسی پرشده از روی که مقاومت خوردگی خوبی دارد و یا مخلوط آن با ریز الیافهای کربن آنها را رسانا میکند نیز وجود دارد و این در حالی است که اپوکسی خالص عایق الکتریکی میباشد. برخی از انواع اپوکسی که دارای خاصیت عایقی/رسانایی در برابر گرما هستند و مقاومت الکتریکی بالایی دارند در الکترونیک کاربرد دارند.
کاربردهای موادی که بر پایه ی اپوکسی ساخته می‌شوند گسترده است و مهمترین آن در ساخت رنگ اپوکسی و کفپوش اپوکسی است و همچنین شامل کاربرد در ساخت موادی چون چسبها،کامپوزیتها (مانند موادی که از فایبر گلاس یا فیبر کربن استفاده میکنند) و تقویت‌کننده‌ها میشود (اگرچه پلی‌استر، وینیل‌استر و دیگر صمغهای ترموست هم برای پلاستیک تقویت‌شده با شیشه به کار می‌روند.)
استفاده ازSU-8 و PDMS در Soft photolithography برای ساخت تراشه های میکروفلوئیدیک :
در تکنولوژی، Soft photolithograph به دسته ای از تکنیک ها برای ساخت یا جایگزینی ساختار ها با استفاده از استامپ های الاستومریک، قالب ها و ماسک های نوری تطابق پذیر گفته می شود. به این دلیل به آن soft گفته می شود که از مواد الاستومریک نظیر PDMS استفاده می گردد. Soft photolithography در واقع مکمل photolithography استاندارد است که اساسا در ان از فوتو رزیست در فرآیندهای ساخت استفاده می شود. وقتی صحبت از فوتو رزیست یا رزیست میکنیم منظورمان موادی هستند که به نور حساس هستند. اساسا فوتو رزیست ها مخلوطی از ترکیبات آلی هستند که به وسیله یک محلول نگه داری می شوند. فوتو رزیست ها می توانند مثبت یا منفی باشند. اصولا هدف فتو لیتوگرافی انتقال یه الگوی هتدسی مشخص از یک ماسک نوری به یک ماده حساس به نور مانند SU_8 می باشد.
PDMS متداول ترین ماده برای کاربرد های Soft lithography است به این دلیل که از تطابق پذیری زیستی بالا، سمیت کم، خنثی بودن شیمیایی به علاوه انعطاف پذیری مکانیکی برخوردار است.
ساخت یک چیپ میکروفلوئیدیک بر پایه PDMS با استفاده از Soft lithography را می توان به مراحل زیر تقسیم بندی کرد (شکل ۱) :
شکل ۱: شمای کلی از مراحل ساخت یک میکروساختار بر پایه PDMS
۱- آماده سازی قالب
رایج ترین ماده برای طراحی یه قالب به منظور ساخت چیپ میکروفلوئیدیک SU-8 می باشد. برای اینکه بتوان یه قالب با استفاده از SU-8 ساخت باید مراحل زیر را طی کرد.
الف) آماده سازی ویفر: حتی اگر ویفر نو باشد باید آن را برای فوتو رزیست آماده کرد. اگر در clean room هستیم باید ان را با محلول H2SO4+H2O2 تمیز کرد در غیر این صورت از استون برای تمیز کردن استفاده می کنیم. برای اینکه مطمئن شویم که رطوبتی بر روی سطح آن باقی نمانده است میتوان آن را به مدت ۱۵ دقیقه در دمای ۱۲۰ درجه قرار داد، در ضمن پلاسمای هوا یا اکسیژن نیز باعث بهتر پخش شدن Su-8 بر روی ویفر خواهد شد.
ب) برای ایجاد لایه فوتو رزیست بر روی ویفر (که قرار است قالب مورد نظر ما شود ) از روش لایه نشانی چرخشی استفاده می شود. سرعت چرخش و ویسکوزیته SU-8 میزان ضخامت لایه آن را تعیین میکند.
ج) پخت فوتو رزیست SU-8 به منظور حذف حلال و سفت شدن آن. می توان از نمودار زیر برای بهترین نتیجه برای پخت فوتو رزیست استفاده کرد. برای جلوگیری از استرس های ناگهانی لازم است که افزایش و کاهش دما به آرامی صورت گیرد.
د) مرحله بعد، تابش نور فرابنفش به الگوی مورد نظر است که بر روی فوتو رزیست پخت شده، قرار دارد. هدف از تاباندن نور فرابنفش، ایجاد پیوند و محکم شدن فوتو رزیست در قسمت هایی است که نور از ماسک عبور کرده و به سطح فوتورزیست تابیده است. بقیه قسمت هایی که نور به آن ها نرسیده است با حلال حذف می شوند.
طول موج نور برای SU-8 ۳۶۵ نانومتر است. زمان نوردهی به ضخامت و توان لامپ بستگی دارد.
ذ) باز پخت مرحله بعدی است که بلافاصله بعد از تابش نور انجام می شود. دلیل آن این است که با باز پخت انرژی لازم برای ادامه برقراری پیوند بعد از تابش فراهم می شود تا قسمت تابش شده کاملا محکم و سفت گردد.
ر) ظاهر کردن یا Development مرحله است که فوتو رزیست های ناخواسته و متصل نشده در حلال حل می شوند. در این مرحله است که الگو پدیدار می شود. برای این منظور از PGMEA (Propylene glycol monomethyl ether acetate) استفاده می شود. البته میتوان Ethyl-lactate یا Di-acetone alcohol را نیز به کار برد. زمان ظاهر سازی بسته به ضخامت می تواند از ۱ تا ۱۵ دقیقه متغییر باشد. از Isopropanol برای شست و شوی ویفر و هوا یا گاز نیتروژن برای خشک کردن استفاده می شود.
ق) اخرین پخت فوتو رزیست الگو دهی شده را hard bake می گویند. البته این مرحله اختیاری است
۲- بعد از اماده شدن قالب با استفاده از لیتوگرافی SU-8 می بایست PDMS و curing agent را به نسبت ۱/۱۰ با هم مخلوط کرد. اضافه کردن curing agent به این دلیل است که وجود آن و گرما سبب سفت شدن PDMS می شود. رایج ترین نوع PDMS، sylgrad184 می باشد. باید دقت کرد که curing agent باید به PDMS اضافه گردد و نه برعکس چون باعث می شود فرآیند سفت شدن به خوبی انجام نشود.
۳- مرحله بعد از بین بردن حباب های هوا در مخلوط مرحله ۲ می باشد. با مخلوط کردن PDMS و curing agent حباب های هوا در آن ایجاد می شود. برای از بین بردن این حباب ها از دسیکاتور که یک محفظه خلا کوچک است می توان استفاده کرد.
۴- ریختن PDMS بر روی قالب از قبل آماده شده مرحله بعدی است. قالب را در یک ظرف قرارا داده و PDMS که حباب های آن از بین رفته اند را بر روی قالب می ریزیم.
۵- پخت PDMS برای سفت شدن PDMS مرحله بعدی است. معمولا ۲۴ ساعت در دمای ۷۰درجه برای محکم شدن کافی است.
۶- جدا سازی PDMS از قالب. بعد از سفت شدن باید PDMS از قالب ان جدا شود.
۷- برقراری پیوند PDMS با زیر لایه تمیز. آخرین مرحله ایجاد پیوند بین PDMS لیتوگرافی شده با شیشه یا PDMS دیگر برای ایجاد کانال های میکروفلوئیدیک است. برای این منظور می بایست هر دو جز کاملا تمیز شوند. سپس برای اینکه بتوان بین دو قسمت اتصال محکم برقرار کرد باید سطوح آنها فعال گردد که برای این منظور از پلاسمای اکسیژن استفاده می شود.
بعد از طی تمام این مراحل یه چیپ میکروفلوئیدیک بر پایه Soft lithography با استفاده از PDMS خواهیم داشت.
کپی برداری از سایت با ذکر منبع(۳etop.ir) بلا مانع است.
سبکی و نازکی :
از خواص دیگر این ماده می توان به خاصیت پیزوالکتریکی
و:
