מה זה Crystallization ב-Nanomaterials?

קריסטליזציה ב nanoscale היא התהליך שבו אטומים, ions, או מולקולות לארגן את עצמם לתוך מבנה ליטנסי תלת-ממדית.בניגוד לחצץ, גבישי ננומטרי נשלט על ידי קבוצה שונה דרמטית של מגבלות תרמודינמיקה וקנטיות. אנרגיית פני השטח, מתח בין-גזעי, ואת נוכחות של סוכנים או תבניות להיות גורמים דומיננטיים כי חלק גדול של אטומים שוכן ליד מבנה האנרגמטי של חלקיקים זה אפילו.

השלמות המבנית שהושגה באמצעות התגבשות מבוקרת מכתיבת ישירות את התכונות האלקטרוניות של החומר. Crystalline nanomaterials להציג מבנים אלקטרוניים מוגדרים היטב, אספקטיות נושא מטען גבוה, וצמצום נחיתות המדינה בהשוואה ל- amorphous או גרוע הורה nanomaterials. עבור יישומים אלקטרוניים, שבו ביצועים עקביים, צריכת חשמל נמוכה, ומהירויות גבוהות נדרשים, השגת רמה גבוהה של גבישים לא ניתן לעתים קרובות על ידי מסלולים אלקטרוניים אחד.

יסודות התרמודינמיקה והקינטיקה של ננוקל קריסטל

היווצרות גרעין גבישי מפתרון מעורפל, vapor, או נמס נשלט על ידי תיאוריית נינקיה קלאסית, אבל עם שינויים חשובים ב nanoscale.רדיוס קריטי עבור גרעין יציב יורד ככל העליות, אבל המחסום האנרגטי לניקיון קטן יותר תלוי גם באנרגיה בין הגרעין לבין המדיום הסובב.

ברגע שהניקיון מתרחש, צמיחה גבישית מתקדמת באמצעות תוספת של אטומים או מולקולות לפרצופים גבישיים הקיימים.קצב הצמיחה על פני פרצופים גבישיים שונים הוא לעתים רחוקות שווה, המוביל למורולוגיות אנזוטרופיות כגון מוטות, צלחות או חוטים. הבנה וניצול צמיחה אנזוטרופית זו היא מרכזית לסנתולוגיה של ננומטרי עם צורות ספציפיות המספקות תכונות אלקטרוניות ייחודיות, לדוגמה, ננומטרים גדלים לאורך צירים ספציפיים.

אוסטוואלד ריפינג וקורנסינג

בסינתזה לפתרון רבים, אוסטרוולד הופך תהליך דומיננטי לאחר התפרצות חלקיקים ראשונית. קטן יותר, גבישים אנרגיה גבוהה יותר מתמוסס, ואטומים המרכיבים שלהם מחדש על גבישים גדולים יותר, נמוך אנרגיה, בעוד תהליך ייצור זה יכול להוביל להתפלגות גביש אחידה יותר, זה גם מגביל את הגודל המינימלי של גבישי טיפול, זמן מצטבר, כמו גם את גודל זה דורש על ידי גירוי לאחור של 5 גרם עבודה, 000, 000 לאחור, הוא צורך תהליך זה הוא צורך חזק, 000 הדבקה לאחור, 000 זמן, 000 ריצוף זה יכול להוביל את גודל זה הוא דורש מאוד, 000 מוצק של עבודה מוצק של עבודה מוצקה של תהליך זה הוא דורש פיגורציה, 000 פיגור גדול יותר, 000 פיגור גדול יותר, 000 קיבולת גבוהה יותר, 000 פיגורציה, 000 קיבולת גבוהה יותר, 000 קיבולת גבוהה יותר, 000 קיבולת גבוהה יותר, 000 קיבולת גבוהה יותר, 000.

שיטות של Crystallization ב-Nanothesis ננומטרי

מגוון רחב של שיטות סינתטיות פותח לייצר nanomaterials גבישי עבור יישומים אלקטרוניים.כל שיטה מציעה יתרונות ברורים במונחים של שליטה גבישית, קנה מידה, והתאמה עם מערכות חומרים שונות.בחירה של שיטה תלויה חומר היעד, מבנה גבישי הרצוי, מורפולוגיה, ואת הדרישות ספציפיות של המכשיר האלקטרוני המיועד.

שיטות מבוססות פתרון

שיטות התגבש מבוססות פתרון הן בין הגישות המגווןיות והנפוצות ביותר עבור סינתזינג ננו-חומרים.שיטות אלה בדרך כלל כרוכות במשקעים מבוקרים של שלב מוצק מפתרון מבשר נוזלי, עם טמפרטורה, לחץ, pH, וריכוז מבשר המשמשות כפרמטרים מרכזיים.

  • (FLT:0)Hydrothermal ו Solvthermal Synthesis:FLT:1 שיטות אלה מעסיקות אמצעי רכב חתומה כדי להשיג טמפרטורות ולחצים מעל נקודת הרתיחה של המעצורים. הטמפרטורה הגבוהה והלחץ להגביר את הסוללה של חלבונים להאיץ קינטיקה גבישית, לעתים קרובות מניב מוצרים גבישיים מאוד שקשה להשיג תחת תנאי מתווך, כגון oxyc2, כמו אלקטרוניקה גבוהה, כגון אלקטרוניקה, c2cric, 000, 000, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה גבוהה, ⁇ ⁇ אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ אלקטרוניקה, לעתים קרובות אלקטרוניקה אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, ⁇ ⁇ אלקטרוניקה ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ אלקטרוניקה ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0Sol-Gel Processing:FLT:1 בשיטות הגל sol-gel, מבשרים מולקולריים עוברים הידרוליזה ותגובות הדבקה כדי ליצור soloidal sol, אשר לאחר מכן מתפתח לרשת ג'ל.שליטה יבשה וטיפול תרמי של הג'ל יכול לייצר ננומטרים גבישיים גבוהים מאוד.
  • (FLT:0) הזרקת חום ושיטות חימום: חליל 1 (For chalcogenide ו pnictide ננוmaterials, שיטות הזריקה החמות כרוכות הזריקה המהירה של מבשר קר לתוך מפלט חם, תיאום יישומים.העל הפתאומי לייצר פרץ של ניכום, ואחריו צמיחה מבוקרת בטמפרטורה נמוכה יותר.

שיטות Vapor-Phase

שיטות התגבשות Vapor-phase הפיקו אטומים או מולקולות משלב גז על תת-קרקעי, שבו הם מתנקנים וצמחים לתוך מבנים גבישיים.שיטות אלה הן במיוחד מתאים לייצור סרטים דקים, ננווטים, ועוד שני חלקיקים או אחד-ממדיים או אחד מבנים ישירות על מצע המכשיר.

  • (FLT:0Chemical Vapor Deposition (CVDig): 1 in CVD, גזי מבשר נדיף מועברים למצע מחומם, שבו הם מסלקים ומגיבים כדי ליצור סרט מוצק. הטמפרטורה תת-התיכונית, קצבי זרימת גז, ולחץ תאים נשלטים בקפידה כדי לקדם צמיחה אפיקסולארית או מקודמת של סרטי CVD גבוהים.
  • (FLT:0 Physical Vapor Deposition (PVD): טכניקות:1:1 כגון evaporation תרמי, sputtering, ו- הדופקd לייזר deposition (PLD) כרוכה העברת פיזית של חומר ממקור מוצק למקור מוצק ל- PLD, במיוחד, יכול לשחזר את הסטוימטריה המורכבת של מטרות חד-חמצני עם נאמנות גבוהה, מה שהופך אותו ל- 3bable עבור זיכרון אפילפטיד (Opár) גבוה, במיוחד, כגון C3párvcvcvcvcr3 (PLD) אפילפטי, במיוחד, במיוחד, במיוחד, במיוחד, במיוחד, במיוחד, C3D) אפילפסיה מורכבת של אפילפטי, במיוחד, אפילפסיה מורכבת של C3 (PLD, במיוחד, במיוחד, במיוחד, במיוחד, במיוחד, C3 C3 (PLD, במיוחד, במיוחד, במיוחד, במיוחד, במיוחד, במיוחד, כולל אפילמטריה מורכבת של קוד זדוניתול-párvpár3D) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0Vapor-Liquid-Solid Growth:03GVLS) : מנגנון VLS משתמש בזריקת מתכת נוזלית לספוג מבשרי vapor-phase, אשר לאחר מכן סופרסטואט ו precipitate כמו ננו-Straate מוצק מתחת לטיפה.

שיטות של מדינה

שיטות גבישיות מוצקות של מדינת סולידריות מסתמכות על תגובות עתיריות גבוהות בין מבשרי מוצק או על המרה של מוצק amorphous לתוך שלב גבישי באמצעות annealing תרמי, בעוד שיטות אלה לעתים קרובות לייצר חומרים עם גבישים גבוהים וטוהר כימי, הם בדרך כלל מציעים פחות שליטה על גודל חלקיקים ומורפיולוגיה בהשוואה לפתרון או נתיבי vapor-phase.

  • (FLT:0) תגובה של מדינות ליבראד: אינטגרציות אינטימיות של אבקות מבשר מוצק מחוממות לטמפרטורות גבוהות (לעתים מעל 1000 מעלות צלזיוס) כדי לקדם בין-דיפוזיה ותגובה. שיטה זו משמשת באופן נרחב לסנתזת תחמוצת תחמוצת תחמוצת תחמוצת תחמוצת חמצני ו-chalcogenide קרמיקה עבור תת-מטים אלקטרוניים, varistors, ואת המתרמי.
  • (FLT:0) קריסטליזציה על ידי Annaaling:cioFLT:1 ; Amorphous סרטים דקים או חלקיקים ניתן להמיר לתוך טפסים גבישיים על ידי annealing תרמי באווירה מבוקרת. הטמפרטורה annealing, זמן, וקצב חימום לקבוע את מידת גבישי, גודל דגנים, וטוהר שלב זה משמש בדרך כלל כדי לשחזר פתרון חד-חמצני עבור סרטים דקים (טרנטימיים)
  • (FLT:0) Mechanochemical Synthesis:FreaLT:1 ; מילימטר אנרגיה גבוהה של מבשרים מוצקים יכול לגרום תגובה מוצקה של המדינה ואת התגבש בטמפרטורות גבוהות יחסית בשל חימום מקומי ודור פגם באתרי השפעה חלקיקים. שיטה זו היא יעילה לייצור אבקות ננוקריסטל של שלבים metastable כי הם קשה גישה על ידי מסלולים תרמיים.

חשיבות בקרת הקריסטליזציה לנכסים אלקטרוניים

התכונות האלקטרוניות של ננו-חומרים רגישים להפליא למבנה הקריסטל שלהם.אפילו סטיית עדין מהגביג'יאליות מושלמת יכולה להציג מצבים מלכודות כי עלייה של מובילת המטען, להגדיל את זרמי ההדלפה, ולצמצם את יעילות המכשיר.מסיבה זו, להשיג שליטה הדוקה על תהליך התגבשות הוא תנאי מוקדם למימוש הפוטנציאל המלא של ננו-חומרים ביישומים אלקטרוניים.

גרלין ברונדלים ו Scattering

בפוליקריסטלליין ננו-חומרים, גבולות דגנים פועלים כמרכזים פיזור עבור נושאות מטען.הדחיסות והאופי של גבולות דגנים נקבעים ישירות על ידי קצב ההנקה והצמיחה.שיעורים הגבוהים מייצרים דגנים קטנים רבים עם צפיפות גבוהה של גבולות דגנים, מה שמוביל להתנהגויות מופחתות בגלל פיזור אלקטרוני וחסמים פוטנציאליים מוגברים בגבולות הדגנים.

Defect Chemistry and Doping

תנאי קריסטל גם שולטים בשילוב של דופילים והיווצרות פגמים נקודתיים אינטרימאליים כגון vacancies, בינתיות, פגמים אנטי-siteים. פגמים אלה יכולים לפעול כתורמים, מקבלים, או מרכזי החלמה, כוונון חשמל מוליכות, סוג נושאית, ותפקודי חיים.

שלב הקריסטל ופולימורפיזם

ננו-חומרים רבים יכולים להתגשם בשלבים פולימורפיים מרובים, כל אחד עם תכונות אלקטרוניות נפרדות.דוגמה קלאסית היא דו-חמצני טיטניום, אשר קיים ב- anatase, rutile, ו- brookiteשלבים. אנליז מציג גבוה יותר ניידות אלקטרונית והוא מעדיף להיות יישומים photocatalytics ו photovoltaic, בעוד rutile יש קבוע גבוה יותר והוא משמש באופן נרחב ב- capaciaciulatings ו-rephic נוכחות.

גורמים המשפיעים על קריסטליזציה ב-Nanoscale

הבנה מתוחכמת של הגורמים השולטים גבישי ננומטרי חיוני לתכנון פרוטוקולים סינתזציות מעודכנים.גורמים אלה קשורים עמוק, וקידוד פרמטר אחד לעתים קרובות דורש התאמות מצטברות באחרים.

טמפרטורה וקצב חימום

הטמפרטורה היא הנהג התרמודינמי העיקרי עבור התגבשות.ב synse פתרון, טמפרטורות גבוהות יותר בדרך כלל להגדיל את הסוללה של מבשרים ואת שיעורי הפיזור של מינים צמיחה, קידום היווצרות של גבישים גדולים יותר, מושלם יותר. עם זאת, טמפרטורה גבוהה מדי יכול גם להאיץ את הבשלה אוסטוואלד מוביל לטרנספורמציות לא רצויות.

Supersaturation and Pre ⁇ Concentration

תואר של supersaturation במדיום הצמיחה שולט קצב ההנקה.עלים גבוהים מייצרת פרץ של גרעינים קטנים רבים, בעוד supersaturation נמוך מעדיף את הצמיחה של גרעינים קיימים על היווצרות של חדשים. in ashust synthesis של הזרקת הקוונטים החמים, ה supersaturation הראשוני הוא גבוה מאוד, המוביל לאירוע מהיר כי לצרוך את רוב המבשרים של זמן מוגבל יותר, אז תמיכה אסטרטגית supersaturation.

סוכני Capping ו- Surfactants

סוכנים אורגניים, כגון חומצות קרקלידיות שרשרת ארוכות, amines, ו thiols, מודעות מעדיפים באופן מועדף על פני גבישים ספציפיים, מאמת את שערי הצמיחה לאורך כיוונים גבישיים שונים. זה מחייב סלקטיבית מאפשר הסינתזה מבוקרת של anisotropic nanostructures, כולל ננודדים, ננופולסים, וננודורות מסובכות.

אימפולסים ותוספות

זיהומים Trace יכולים להיות השפעות גדולות על התגבשות ננומטרית. dopants מתווספים באופן מכוון יכולים לשנות את מחסום ההנקה, לשנות אנרגיות פני השטח ולשנות את כיוון הצמיחה המועדפת. unintentional Impurities בכימיקלים או פותרים יכול להציג את רמות ההנקציה הטרוגניות הקריטיות, לייצר התפלגות בגודל דו-ממדי או ניקוי של שלב בלתי רצוי ליישומים אלקטרוניים, אפילו של חומרים של תגובה נקייה.

לחץ וידוי

בסינתזה הידרותרמית וסולותרמית, הלחץ הוא בשילוב לטמפרטורה ויכול להשפיע באופן משמעותי על יציבות שלב. חלק מהפולימורפים כי הם metastable בלחץ מסובך ניתן לייצב תחת לחץ גבוה, פתח מסלולים סינתטיים כדי אחרת בלתי נגיש מבנים גבישיים.קונימנט בתוך תבניות ננו- ⁇ , כגון תחמוצת אלומיניום או mesolica, יכול גם מכוונת על ידי התגבשות זמין לעתים קרובות.

טכניקות ל- Crystalline Nanomaterials

אישור תואר של גבישיות וזיהוי מבנה גבישי ספציפי של ננומטרי דורש חבילה של טכניקות הדמיה משלימים. X-ray diffraction (XRD) הוא הכלי העיקרי לזיהוי שלבים גבישיים, קביעת פרמטרים lattice, ו- estimating גודל גבישי על ידי משוואות Grectionsive (Sractions) גבוהה-rection אלקטרונים (P) מספק תמונות ישירות של אטומים, במיוחד על ידי cycctionsivesived) על ידי cydsived (Remciated) אטומית, כולל cyd) אטומית, כולל ⁇ d) ⁇ d) ⁇ ddd) אטומית שטח אטומית.

יישומים באלקטרוניקה

היכולת לייצר nanomaterials גבישיים מאוד עם ממדים מבוקרים, שלבים, וכימאים פגומים אפשרה מגוון רחב של יישומים אלקטרוניים שלא היו אפשריים עם חומרים גדולים קונבנציונליים או סרטים דקים.

Transistors and Logic מכשירים

חד-קריסטלליין סיליקון nanowires וננו-ביובות פחמן הוכחו כחומרי ערוצים ב-SU-אפקט טרנזיסטורים (FET) עם ביצועים המתקרבים או מעליהם של מכשירי סיליקון פלאר.ההיעדר גבולות דגנים לאורך כיוון התחבורה מאפשר שקיפות או ליד תחבורה בליסטית, וכתוצאה מכך חומרים אטומיים גבוהים על פני זרם תת-קרקעי.

צילום: Photodetectors and Solar Cells

במכשירים אופטיקו-אלקטרוניים, גבישי הוא ישירות מתואם עם היעילות של ספיגת פוטושופ, Exciton diדיסוציאציה, ואוסף המטען. Crystalline perovskite תאים סולאריים השיגו יעילות המרה כוח מעל 26% בתצורה חד-פעמית יחיד, בעיקר בשל צפיפות נמוכה ואורךי אינפוזיה אינפרא אדום שהושג באמצעות שיטות אופטימיזציה, בדומה לקידוד קוונטי שניתן להשתמש ב-ידידבנים מדויקים על ידי phototial מופעלת גבוהה על ידי קומפלקסים בגודלם רחב של חומרת גבוהה.

חיישנים ו Actuators

חיישנים מבוססי ננו-חומרי לגילוי כימי וביולוגי מסתמכים על שינויים ב מוליכות חשמלית או קיבול על ציפוי אנאלי. Crystalline מתכת ננו-חוטים וננובלים, כגון SnO2, In2O3, ו- ZnO, מציגים אותות עתירי-קרקע גבוהים של רמות N2-Nwire-in-in-ol-ol-H2, כמו גם חומרים מכו-Hol-H2-ol-ol-Hol-ol-ol-in-Hol-in-ol-in-in-in-H, כמו גם חומרים שיכולים להיות פונקציונליים שניתן לתפקודיים עבור זיהוי אופטימחדש של חומרים גמישים של חומרים גמישים של חומרים גמישים של חומרים גמישים, כמו חומרים גמישים, כמו חומרים גמישים, כמו חומרים גמישים של חומרים גמישים, כמו חומרים גמישים, כמו חומרים גמישים, כמו גם עבור זיהוי של חומרים גמישים, כמו חומרים גמישים, כמו חומרים גמישים של חומרים גמישים, כמו חומרים גמישים של חומרים גמישים של חומרים גמישים של חומרים גמישים, כמו חומרים גמישים, כמו C2N2N2N2Nwiren2N2N2N2N2, כמו רמות של חומרים גמיש

כלי זיכרון ומכשירים נוירומורפיים

מתפתח טכנולוגיות זיכרון לא-וולנטיות, כולל זיכרון אקראי-גישה אקראית (RRAM) וזיכרון שינוי שלב (PCM), להסתמך על שינויים בלתי הפיכים במצב גבישי של ננו-חומרי (PCM), ההבדל הגדול בהתנגדות חשמלית בין שלב החיסבולה של Amorphous וגביע של חומרים chalcogenide כגון Ge2Sb2Te5 משמש לאחסון נתונים ומהירויות של גירוי מבוקרות.

אתגרים ותובנות עתידיות

למרות ההתקדמות המדהימה שנעשתה ב- nanoscale Crystallization, כמה אתגרים נשארים. Scaling up סינתזה שיטות לייצר כמויות קילוגרם של nanomaterials גבישי אחיד ללא להקריב איכות הוא מכשול משמעותי עבור אימוץ תעשייתי. Batch-to-batch variability in קריסטלity, גודל, ודחיסות פגם נשאר בעיה מתמשכת, במיוחד עבור פתרון שיטות טיפול כי הם רגישים לטמפרטורה קטנה, טוהר.

אתגר גדול נוסף הוא היציבות התרמית והכימיקלית של ננו-חומרים גבישיים בתנאים תפעוליים של ננו-חומרים יש אנרגיות על פני השטח גבוהות ויכול לעבור צמיחה של דגנים, שינויים בשלב, או חמצון לאורך זמן, המוביל להורדת המכשיר.פיתוח אסטרטגיות מעבר ותכניות שכנוע אשר משמרות גבישיות וביצועים אלקטרוניים לאורך החיים הוא תחום פעיל של מחקר.

במבט קדימה, כמה גישות מתעוררות מבטיח מהפכה בשליטה של התגבשות בטכניקות הזיהוי הננומטריות.In-situation, כולל TEM ו-Sנכרוןhrotron מבוסס X-ray מפוזר, לאפשר לחוקרים לצפות במסלולים נינקיים ותהליכי צמיחה בזמן אמת, מתן תובנות מכניות שיכולות להנחות את העיצוב של אלגוריתמים משופרים ממוחשבים.

לבסוף, השילוב של nanomaterials רבים לתוך hetero מבנים ו superlattices הוא פתח גבולות חדשים באלקטרוניקה. על ידי שילוב חומרים עם מבנים גבישיים שונים, התאמות קבוצתיים, ותכונות פיזיות, החוקרים יוצרים חומרים מלאכותיים עם תופעות אלקטרוניות בולט, כולל מפרשיות Moiré, מוליכות על ממשקים, וטופי ביצועים משופרים על פני השכבה הבסיסית של מצעים אלה הוא התבוננות בסיסי על ידי ויזואלית ההשפעות של מבנים אלה הוא חיוני עבור תכונות קוונטיות הוא חיוני עבור תכונות קוונטיות על פני ויזואליות ויזואליות מובנים.

העתיד של מכשירים אלקטרוניים תלוי יותר ויותר ביכולת שלנו לכוון קריסטלים ב nanoscale עם דיוק אטומי. כמו ההבנה הבסיסית של nucleation וצמיחה להעמיק, כמו כלים סינתטיים להמשיך להתקדם, הטווח של מבנים גבישיים בלתי אפשריים, מורולוגיות, ופונקציונליות ימשיכו להתרחב, נהיגה חידושים במחשוב, תקשורת, רגישות, ואנרגיה במשך עשרות שנים לבוא.

(ב) לקריאה נוספת על טכניקות התגבשות מתקדמות ויישומים שלהם לננו-חומרים אלקטרוניים, הקוראים עשויים להתייחס לסקירות סמכותיות ב-FLT:0Nano LettersFLT:1 ו-FLT:2 Nature Reviews MaterialssFLT 3:2, וכן להנחיות מעשיות הזמינות של האגודה למחקרי FLT:4Materials Research SocietyF:5 ו-LT6FIRELTERR.