مقاله نقش علم لایه های نازک و مهندسی سطح در نانوتکنولوژی

چکیده:
در سال های اخیر، توجه به مواد نانوساختاری و کاربردهای آن ها در حوزه های شیمی، فیزیک، زیست شناسی و مهندسی مواد به شدت افزایش یافته است. نیاز به مینیاتوری کردن ابزارها و افزایش ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات، به ویژه در قطعات الکترونیکی و اپتیکی، محور تحقیقات نانوتکنولوژی و توسعه روش های ساخت نانوساختارها قرار گرفته است. تکنیک هایی مانند رشد اپیتاکسی، لیتوگرافی با باریکه های الکترونی، رسوب از بخار و روش های self-assembly از علم لایه های نازک نشأت گرفته اند و امکان تولید مواد با خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی نوین را فراهم می کنند. این مقاله رشد علم لایه های نازک و مهندسی سطح و ارتباط آن ها با توسعه نانوتکنولوژی را بررسی می کند.

مقدمه:
علوم نانو حوزه ای است که به بررسی رفتار، برهم کنش ها و کنترل ماده در مقیاس نانو، یعنی اندازه ای در حد اتم ها و مولکول ها، می پردازد. این علوم با تغییر اساسی در روش نگاه ما به مواد و ساختارهای آن ها، تحولی عمیق در فیزیک، شیمی، زیست شناسی و مهندسی ایجاد کرده است. نانوتکنولوژی، شاخه ای از علوم نانو، به تولید ابزارها و سیستم هایی می پردازد که در مقیاس نانو فعالیت می کنند؛ از جمله نانوماشین ها، نانوربات ها، سنسورها و بیوتراشه ها. کنترل دقیق بر ماده در این مقیاس، امکان ایجاد خواص جدید فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی را فراهم می آورد که در مقیاس بزرگ تر قابل دسترسی نیست.

تحولات علمی در حوزه نانوتکنولوژی با ظهور نانوساختارها گره خورده است. نانوساختارها، ساختارهایی هستند که خواصشان به طور قابل توجهی با مواد حجیم تفاوت دارد. این مواد می توانند اثرات کوانتومی نشان دهند و رفتارهایی غیرخطی و غیرهمتایانه ایجاد کنند که در توسعه قطعات اپتیکی، مغناطیسی، الکترونیکی و ترموالکتریکی اهمیت پیدا می کند. پیدایش این مواد و امکان تولید دقیق آن ها، به ابزارهای تجربی پیشرفته و تکنیک های نوین سنتز نیاز دارد. از جمله این تکنیک ها می توان به لایه نشانی اتمی، رشد اپیتاکسی و روش های خودسازمانده (self-assembly) اشاره کرد که برگرفته از پیشرفت های علم لایه های نازک و مهندسی سطح هستند.

علم لایه های نازک نقش محوری در نانوتکنولوژی ایفا می کند. لایه های نازک، ساختارهایی با ضخامت چند نانومتر تا میکرومتر هستند که خواصی متفاوت از ماده اصلی خود دارند. این تفاوت ها به ویژه در مراحل اولیه رشد لایه ها و در ضخامت های بسیار کم اهمیت فراوانی پیدا می کند. فرآیندهای تشکیل این لایه ها، شامل نشست اتم ها و مولکول ها از فاز گازی بر روی زیرلایه جامد و تشکیل ساختارهای منظم میکروساختاری است که تحت شرایط ترمودینامیکی خاص شکل می گیرند. پیشرفت های اخیر در سنتز و فرآوری لایه های نازک باعث شده تا کاربردهای متنوعی در صنایع میکروالکترونیک، اپتیک، مغناطیس، پوشش های محافظ و کاتالیزورها ایجاد شود و مهندسی سطح به عنوان حوزه ای مرتبط، طراحی و بهینه سازی این لایه ها و تعامل آن ها با محیط را امکان پذیر سازد.

نانوتکنولوژی و تکنولوژی لایه های نازک به شکل همزمان رشد کرده اند. پیشرفت علمی، امکان توسعه ابزارها و تکنیک های پیشرفته را فراهم می کند و این ابزارها به نوبه خود موجب سرعت گرفتن کشف خواص جدید مواد می شوند. به طور مثال، چسبندگی، پایداری حرارتی و مقاومت اتمسفری لایه های نازک چالش های تحقیقاتی مهمی هستند که حل آن ها در مقیاس نانو می تواند مسیر تولید ابزارهای کوچک تر و با قابلیت های بالاتر را هموار سازد. توسعه تکنیک های جدید اندازه گیری و بررسی درون محیطی (in-situ) مانند الیپسومتری، میکروسکوپ نیروی اتمی و روش های مبتنی بر پلاسما، امکان پایش دقیق رشد لایه ها و اصلاح خواص آن ها را فراهم کرده است.

ترکیب علم لایه های نازک و مهندسی سطح با نانوتکنولوژی، بستری را ایجاد کرده است که توسعه مواد با خواص جدید و ساخت ابزارهای دقیق در مقیاس نانو را ممکن می سازد. این پیشرفت ها نشان دهنده جهش علمی و تکنولوژیک در زمینه کنترل و مهندسی ماده است و افق های نوینی را در علوم مواد و فناوری های پیشرفته گشوده است.