شعاع بور، معیاری برای دسته بندی نانومواد؟

[amirswt]

در ادامه ی بحثهای پیش اومده در تاپیک زیر:
عنوان:
CNT = 1D NM or not
لینک:
viewtopic.php?f=11&t=724
ادامه ی بحث ها رو در این جا پی میگیریم.

و اما چند نقل قول:

بنده گفتم:

الیاس یک معیار رو برای دسته بندی نانومواد توضیح داد.

آقای فاطمی نیا گفتند:

متاسفانه معیاری رو که فرمودند از لحاظ علمی صحیح نیست
20 نانومتر به هیچ وجه مرز وجود ابعاد به حساب نمیاد. بلکه تعریفی به نام "شعاع بور" که برای هر ماده متفاوت تعیین کننده ی مرز وجود یا عدم وجود ابعاد از دید فیزیکیه. زمانی که ابعاد ماده در هر راستای مختصاتی(مثل x،y یا z) به زیر شعاع بور ماده برسه پدیده ی به دام افتادگی کوانتومی یا quantum confinement اتفاق میافته و از دید فیزیکی دیگه رفتار الکترون های موجود در ماده در اون راستای مختصاتی تابع قوانین فیزیک کلاسیک نیست. به همین خاطر اون بعد از ماده رو از لحاظ فیزیکی (نه از لحاظ ریاضی) حذف می کنند.
شعاع بور برای بعضی از نیمه هادی ها حتی به میکرومتر هم می رسه و برای بسیاری از مواد مثل TiO2، ZnO ، CuI و ... زیر 5 نانومتر هست.
در مورد نانو لوله های کربنی یا CNT هم چون قطر نانولوله زیر شعاع بورش است، یک ماده ی تک بعدی به حساب میاد.
حالا یکی بگه شعاع بور CNT چنده

آقا الیاس گفتند:

تعریف شعاع بور با آنچه در مورد 20نانومتر مطرح شده است متفاوت است.
درواقع ربطی به هم ندارند که بخواهیم دیگری را برتر بدانیم.

و در ادامه:

ما در مورد 20نانومتر می گوییم که تعریف ابعادی در مورد فن آوری نانو است نه فیزیک کوانتوم(مدظله العالی).
فن آوری نانو یعنی صنعت در مقیاس نانو.
واین صنعت متفاوت از قوانین خاص فیزیک کوانتوم است.
و آنچه گفتند از شعاع بور از این جهت مربوط به فن آوری نانو نمی شود که؛
در این فن آوری فقط اندازه در مورد ابعاد مهم است به همین جهت در مورد مواد گوناگون متفاوت نیست ولی
شعاع بور در مورد خواص مواد گوناگون بحث می کند.

البته این را دوباره خاطر نشان کنم که این 20نانومتر را من از خود نگفتم بلکه از نخستین مراجع فارسی فن آوری نانو یعنی کتاب ترجمه ی دکتر وطن خواه گفتم و تعدادی چند از کتاب های دیگر.

بنده گفتم:

این معیارها (مثلا همین شعاع بور) هیچ کدوم خالی از ایراد نیستند.

آقای فاطمی نیا گفتند:

بنده نسخه ی زبان اصلی مرجعی رو که دوست عزیزمون الیاس فرمودند مطالعه کرده ام که البته در نسخه ی ترجمه جانب امانت آنچنان که باید رعایت نگردیده و بنابراین بنده از متن صریح انگلیسی کتاب جهت ارجاع استفاده می کنم. به طور کلی در 5 جا لفظ 20 نانومتر عنوان گردیده:

و در ادامه:

***نکته ی دوم:
مقوله ی تعریف و تحریف ابعاد در نانوتکنولوژی کاملاً ریشه ی تاریخی در بحث مکانیک کوانتوم حالت جامد دارد. کاهش ابعاد به زیر سه بعد سالها قبل از ظهور فناوری نانو در کتاب های فیزیک حالت جامد تحت عنوان گاز فرمی 2 بعدی و تک بعدی مورد بررسی بوده است و موضوع جدیدی نیست. با حضور فناوری نانو وجهه ی تئوری این مباحث غیر قابل لمس فیزیکی، جنبه ای تجربی و عملی پیدا کردند. بنابراین با توجه به تعاریف مستند لطفاً بحث ابعاد در فناوری نانو و مکانیک کوانتوم را به هیچ وجه جدا در نظر نگیرید.

***نکته ی سوم:
بر خلاف آنچه دوست عزیز آقای amirswt فرمودند(که البته احتمالاً منظورشون این نبود ولی اینچنین برداشت می شه)، معیار "شعاع بور" چه از لحاظ تئوری و چه از لحاظ تجربی اثبات شده و هیچگونه ایرادی بر آن وارد نیست و یک قانون صراحتاً قابل قبول است. به همان صراحت که قوانین سه گانه ی نیوتن قابل قبول هستند.

خوب، حالا بریم سراغ ادامه ی بحث:
شما چی میگید؟

[arhm1364]

این مطالبی که میخواهم بیان کنم ، احتمالا از لحاظ علمی بارش سنگین تر از مطالب گذشته است و چون در تالار پیشکسوتان و دانشجویان هستیم این جسارت را به خودم دادم که این بحث را مطرح کنم ( اگه با پیام خصوصی یا اخطار amirswt مواجه نشم جای شکر داره )

محدودیت کوانتومی یا Quantum confinement :
کتاب مقدمه ای به نانوتکنولوژی نوشته پول و اونز صفحه 4 میگه :
In 1982, two Russian scientists , Ekimov and Omushchenko, reported the first observation of quantum confinement
پس بحث محدودیت کوانتومی را این دو دانشمند در سال 1982 برای اولین بار مشاهده نمودند و قبل از آن این مطالب تنها تئوری بحث میشده ، حالا این محدودیت چیه ؟
http://phycomp.technion.ac.il/~anastasy ... ode10.html
" Quantum confinement is change of electronic and optical properties when the material sampled is of sufficiently small size - typically 10 nanometers or less."
1. محدودیت کوانتومی پدیده ایست که با کاهش سایز در مواد مشاهده می شود ( از یک سایزی پایین تر این زندان برای الکترون ها ایجاد می شود و دیگر انتقال الکترون پیوسته نیست و کوانتومی ( در انرژی های مشخص و منفصل ) صورت می پذیرد )
2. محدودیت کوانتومی باعث تعریف خواص الکتریکی و اپتیکی در مواد است.

"The band gap increases as the size of the nanostructure decreases. Specifically, the phenomenon results from electrons and holes being squeezed into a dimension that approaches a critical quantum measurement, called the exciton Bohr radius "

همان طور که میدانید band gap گاف انرژی میان باند ظرفیت و رسانش در تئوری نواری است ، که بر اساس اندازه گاف انرژی مواد به 3 دسته رسانا ، نیمه رسانا و عایق تقسیم میشوند که به ترتیب اندازه گاف انرژی افزایش پیدا میکند . ( یعنی میزان انرژی لازم برای انتقال پیدا کردن الکترون از باند ظرفیت به رسانش در مواد رسانا کوچکتر از نیمه رساناها و در نیمه رساناها کوچکتر از مواد عایق است .) حال با این تعریف :

3. با کوچک تر شدن سایز ذرات میزان گاف انرژی ماده افزایش پیدا میکنه :
http://en.wikipedia.org/wiki/Potential_well ( به عکس اول که درباره محدودیت کوانتومی است دقت کنید و با مطلبی که گفتم بیشتر آشنا بشید )

electron and hole(الکترون و حفره) هنگامی که الکترون مکانش را از نوار ظرفیت ترک میکنه و وارد نوار رسانش میشه جاش خالی میمونه و به این جای خالی حفره میگویند .

exciton به ترکیب الکترون و حفره اکسایتون می گویند :http://en.wikipedia.org/wiki/Exciton

4. پدیده محدودیت کوانتومی وقتی اتفاق میفته که الکترون و حفره به همدیگر ملحق شوند و فضایی را تشکیل بدهند که این فاصله ، یک فاصله بحرانی است و به آن " the exciton Bohr radius یا the Bohr exciton radius " شعاع اکسایتون بور میگویند .
http://phycomp.technion.ac.il/~anastasy ... ode10.html :
((Specifically, the phenomenon results from electrons and holes being squeezed into a dimension that approaches a critical quantum measurement, called the exciton Bohr radius))

http://www.nanofm.com/terms/quantum_confinement.html
(( quantum confinement occurs when one or more of the dimensions of a nanocrystal is made very small so that it approaches the size of an exciton in bulk crystal, called the Bohr exciton radius.))

پس این ایراد را باید از اسم این تاپیک بگیریم ، شعاع اکسایتون بور در این جا باید بحث بشه ، نه شعاع بور

5. شعاع اکسایتون بور که در پایین تر از این شعاع با پدیده محدودیت کوانتومی مواجه هستیم ، برای مواد مختلف متفاوت است ، به عنوان نمونه :
http://phycomp.technion.ac.il/~anastasy ... ode10.html
"A recent study [21] of the X-ray absorption spectra in nanodiamond thin films with grain diameter from 3.5 to 5 micrometer showed that the C 1$s$ core exciton state and conduction band edge are shifted to higher energies with decrease of the grain size especially when the crystallite radius is smaller than $\sim$1.8 nm. ((
پس در صفحات نازک نانوالماس محدودیت کوانتومی زمانی ایجاد می گردد که شعاع کریستالیت ها به کوچکتر از 1.8 نانومتر برسد .

چه طوری شعاع اکسایتون بور را برای مواد مختلف تعیین میکنند (آزمایشی ( راهنمایی : با روش های اسپکتروسکوپی ) و یا روش های تئوری (راهنمایی :ab initio calculations based on density-functional theory (DFT) ))؟

چه مشکلاتیمونو با دونستن این شعاع میتونیم برطرف میکنیم ؟

آیا معیار مناسبی برای دسته بندی نانو مواد است ؟

[amirswt]

به نظرتون این معیار میتونه پیش بینی کنه که نقطه ی ذوب طلا در اندازه های چند ده نانومتری کاهش پیدا میکنه؟

[arhm1364]

گفته شد که با کاهش اندازه ذره و گذشتن از شعاع اکسایتون بور گاف انرژی زیاد تر میشود !

اگه نقطه ذوب که نشانه ای از انرژی پیوندهاست را بتوانی به نظریه نواری و گاف انرژی ارتباط بدی اون موقع میتونی درباره نقطه ذوب و تغییراتش نظر بدید !

حالا اینها چه ارتباطی دارند ؟

[amirswt]

از دوستان دعوت میکنم تا در این بحث شرکت کنند.
همچنین صاحبان اندیشه های نانویی ...
این بحث هنوز به جواب نرسیده ...

[arhm1364]

دوست عزیر amirswt هنوز سوال من راجع به رابطه میان نقطه ذوب و گاف انرژی را بیان نکردید.( راهنمایی : برای پیدا کردن جوابش لازم تو google سرچ کنید)

آقای فاطمی نیا نکته صحیحی راجع به شعاع بور و شعاع اکسایتون مذکر شدند:
شعاع بور اکسایتون تنها برای نیمه هادی ها مطرح میگردد در حالی که افزایش گاف انرژی در اثر کاهش ابعاد در همه مواد مشاهده میشود که این پدیده در زیر شعاع بور ماده اتفاق می افتد و چون الکترون حفره نداریم، پس اکسایتون نداریم.

[amirswt]

اگه نقطه ذوب که نشانه ای از انرژی پیوندهاست را بتوانی به نظریه نواری و گاف انرژی ارتباط بدی اون موقع میتونی درباره نقطه ذوب و تغییراتش نظر بدید !

و

دوست عزیر amirswt هنوز سوال من راجع به رابطه میان نقطه ذوب و گاف انرژی را بیان نکردید.

دوست عزیز arhm1364
منظور من از طرح سوال

به نظرتون این معیار میتونه پیش بینی کنه که نقطه ی ذوب طلا در اندازه های چند ده نانومتری کاهش پیدا میکنه؟

این بود که بفهمیم آیا این معیار میتونه تمام پدیده های جدید در دنیای نانومتری رو توجیه کنه؟
یا فقط به مباحث الکترونیکی ارتباط داره؟
به نظر من این معیار نمیتونه این مورد رو توجیه کنه. پس در این زمینه نارسایی داره؟
*
یا اینکه میتونه، و معیار جامعیه؟