وبلاگ

:

 

ضریب شكست فلزات نجیبی نظیر نقره و طلا‌، تابع حساستری‌-‌‌ نسبت به دی‌الكتریك‌ها-‌ از دماست. در این كار، اثر تغییرات دما بر سطح مقطع پراكندگی نانو ذرات نقره، بررسی شد. نانو ذرات فلزی نقره‌ای كروی شكل با قطرهای30،35،40،45،50،55 و60 نانومتر تحت تابش نور با قطبش TM در بازه طول‌موجی 300nm تا 400nm قرار گرفتند و سپس سطح مقطع پراكندگی آنها محاسبه شد. برای بررسی اثر تغییر دما بر سطح مقطع پراكندگی، دمای نانو ذرات در بازه‌‌های 30 K از 300K تا 510K تغییر داده شد. نتایج محاسبات كه با بهره گرفتن از روش عددی عناصر محدود در دو بعد به دست آمده‌ اند، نشان می‌دهند كه اولاً قلّه سطح مقطع پراكندگی از شعاع  30nmتا 45nm با افزایش دما افزایش می‌یابد. این در شرایطی است كه قله‌های نمودارها در دماهای مختلف، به هم نزدیک می‌شوند. سپس از شعاع 50nm تا 60nm با افزایش دما، قله‌ی سطح مقطع پراكندگی، كاهش می‌یابد. پهنای نمودارها نیز بر حسب طول‌موج، با افزایش شعاع نانو ذره از 30nm تا 45nm افزایش یافته و سپس با ادامه روند افزایش در شعاع، كاهش می‌یابند. نتیجه‌ی نهایی این تحقیق اینست كه قله‌ی سطح مقطع پراكندگی از شعاع تقریبا 35nm تا 55nm، از حساسیت كمتری نسبت به دما برخوردار است. تغییرات با دما پایین‌تر از شعاع 35nm و بالاتر از 55nm بسیار شدیدتر است.

 

فصل اول: کلیات طرح

 

1-1- بیان مسئله و هدف های 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 فرایندهای 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 آن‌ ها 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 یک 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[.

 

2-1- 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 نانواپتیک 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.

 

3-1- سوالات و فرضیه های 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.

 

4-1- 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 دی‌الكتریک مثبت و ماده‌ای با ثابت دی‌الكتریک منفی مثل فلزات می‌تواند باعث انتشار امواج الكترومغناطیسی ویژه‌ای شود كه امواج پلاسمون سطحی خوانده می‌شوند و در محدوده‌ی نزدیک سطح باقی می‌مانند]6[.

 

5-1- مدل تحقیق

 

 بر اساس حل معادله موج ماکسول در یک منطقه که شامل ذره فلزی در زمینه خلاء است، می‌باشد.

 

6-1- روش تحقیق

 

روش تحقیق به صورت نظری و با بهره گرفتن از روش‌ عددی، عناصر محدود و با بهره گرفتن از نرم افزار Comsol Multi Physics صورت گرفته است.

 

7-1- 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.