نانوکامپوزیت پلیمری در صنعت الکترونیک

دسته: مقالات منتشر شده در 27 بهمن 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 883

نانوکامپوزیت های پلیمری و کاربرد آنها در صنعت الکترونیک

در حوزه جدیدی از تحقیقات به نام نانوتکنولوژی هیجان زیادی وجود دارد. واژه نانوتکنولوژی طیف وسیعی از فناوری هایی را تفسیر می کند که کاربردهای گسترده ای در مقیاس نانو دارند. تحقیقات زیادی برای کشف نانومواد در حوزه های تحقیقاتی نانوکامپوزیت ها در حال انجام است. نانوکامپوزیت ها از اختلاط دو ماده مختلف (با خواص متفاوت) ساخته شده اند که اندازه یکی از آنها در مقیاس نانو است. نانوکامپوزیت های پلیمری که از ماتریس پلیمری و نانو لوله های کربنی تشکیل شده اند، دسته ای از مواد پیشرفته با پتانسیل فراوان هستند. خواص پلیمرها با افزودن ترکیبات آلی نانومتری بهبود می یابد و به همین دلیل، پلیمرها باتوجه به مواد آلی شان کاربردهای مختلفی دارند. همچنین از خواص حرارتی، الکتریکی و مکانیکی بالایی نیز برخوردار هستند. در این مقاله، به بررسی نانوکامپوزیت های پلیمری با نانولوله های کربنی بعنوان فیلر و کاربرد آنها در صنعت الکترونیک پرداخته می شود.

 

نانوتکنولوژی به حوزه ای از علم کاربردی اطلاق می شود که در مورد استدلال کنترل اندازۀ ماده در مقیاس اتمی و مولکولی بحث می کند. به طور کلی، نانوتکنولوژی با ساختارهای 100 نانومتری یا کوچکتر سروکار دارد و شامل توسعه ابزار ارزیابی این ساختارها می شود. علاوه براین، یک حوزۀ بسیار متنوع و چند رشته ای است که از پیشرفت های جدید فیزیک گرفته تا رویکردهای کاملآ جدید مبتنی بر آرایش مولکولی و توسعه مواد جدید با ابعاد مقیاس نانو را در بر دارد. نانوتکنولوژی پتانسیل ایجاد بسیاری از مواد و ابزار جدید در کاربردهای پزشکی، الکترونیک و تولید انرژی را دارد.

 

نانومواد

یک نانومتر (mm) یک میلیاردم یا 10-9 متر است؛ بنابراین، نانومواد موادی هستند که اندازه یک واحد آنها بین 1000-1 نانومتر است. تحقیقات نانومواد زمینه را برای بررسی رویکردهای مبتنی بر علم مواد در نانوتکنولوژی فراهم می کند؛ این مواد اغلب از خواص منحصر به فرد ناشی از اندازه، شکل و ترکیب شیمیایی برخوردار هستند.

 

نانولوله های کربنی

یک مادۀ منحصر به فرد تازه کشف شده با خواص الکتریکی، حرارتی و ساختاری شگفت انگیزی است. آنها همچنین رسانایی الکتریکی بالا به اندازۀ مس و رسانایی حرارتی بالایی به اندازۀ الماس دارند. از طرفی، امکانات شگفت انگیزی را برای ایجاد دستگاه ها، مدارها و رایانه های نانوالکترونیکی در آینده فراهم می کنند. نانولوله های کربنی 100 برابر محکم تر از فولاد هستند؛ در حالی که فقط یک ششم وزن آن را دارند. دانشمندان همچنان برای یافتن روش هایی برای تبدیل نانولوله های کربنی به جایگزین ایده آل برای ترانزیستورها در ریزپردازنده ها و سایر وسایل الکترونیکی در تلاش هستند.

 

نانوکامپوزیت

نانوکامپوزیت یک ماده جدید چند فازی است که در آن یکی از فازها دارای یک، دو یا سه بعد کمتر از 100 نانومتر یا ساختارهایی با فاصله تکرار در مقیاس نانو بین فازهای مختلف سازندۀ ماده است. این مفهوم در مقیاس گسترده می تواند شامل محیط های متخلخل، کلوئیدها، ژل ها و کوپلیمرها باشد اما معمولآ به معنای ترکیب جامد یک ماتریس حجیم و فاز (های) نانوبُعدی است که از نظر خواص، به دلیل تفاوت های ساختاری و شیمیایی متفاوت است. با توجه به جدول زیر، نانوکامپوزیت ها به سه دسته تقسیم شده اند.

 

شکل 1:

Different types of Nanocomposites 

 

این سه دسته عبارتند از: نانوکامپوزیت های ماتریس سرامیکی، نانوکامپوزیت های ماتریس فلزی، و نانوکامپوزیت های ماتریس پلیمری. خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی، نوری، الکتروشیمیایی و کاتالیزوری نانوکامپوزیت ها به طور مشخصی با مواد سازنده متفاوت است. محدودیت اندازه در آنها نیز به این صورت بیان شده است: برای فعالیت کاتالیزوری کمتر از 5 نانومتر، برای نرم کردن ماده مغناطیسی سخت کمتر از 20 نانومتر، برای تغییرات ضریب شکست کمتر از 50 نانومتر، برای دستیابی به سوپرپارامغناطیس، تقویت مکانیکی یا محدود کردن جابجایی ماتریس کمتر از 100 نانومتر.

 

نانوکامپوزیت های پلیمری

اگرچه پلیمرها را میتوان بعنوان مواد ساختاری بدون تقویت کننده استفاده کرد، اما استفاده از آنها به دلیل خواص مکانیکی پایین محدود می شود. استحکام نسبتآ کم همراه با مقاومت ضربه ای کم از مشخصۀ اصلی مواد پلیمری است. نانوکامپوزیت های پلیمری جایگزین جدیدی برای پلیمرهای فیلر شدۀ معمولی هستند. این نانوکامپوزیت ها موادی هستند که در آنها ذرات آلی نانوسکوپی معمولآ بین 100-10 در حداقل یک بُعد، در پلیمر آلی مانند پلی استیلن، پلی تیوفن و پلی پیرول پراکنده می شوند. به دلیل اندازۀ نانومتری فیلر معدنی، نانوکامپوزیت ها در مقایسه با پلیمرهای خالص یا کامپوزیت های سنتی آنها خواص بهبود قابل توجهی از خود نشان می دهند.

 

بهبود خواص

نانوکامپوزیت های پلیمری به وضوح مزایای خاصی را که افزودنی های نانومواد می توانند در مقایسه با فیلرهای معمولی و پلیمر پایه خود ارائه دهند، نشان داده اند. خواص ارائه شده که دستخوش پیشرفت های اساسی شده اند، عبارتند از: 1: استحکام، مدول و پایداری ابعادی. 2: بهبود مقاومت در برابر حلال، حرارت و کاهش اشتعال پذیری. 3: کاهش نفوذپذیری در برابر گازها، آب و هیدروکربن ها. 4: پایداری حرارتی و دمای اعوجاج حرارتی. 5: بازدارنگی شعله و کاهش انتشار دود. 6: مقاومت شیمیایی. 7: ظاهر سطح. 8: هدایت الکتریکی. 9: شفافیت نوری در مقایسه با پلیمرهای دارای فیلر معمولی.

 

نانوتکنولوژی اساسآ در طراحی دستگاه های پیشرفته با کاربردهای الکترونیکی و نوری تعبیه شده است. مقیاس ابعادی دستگاه های الکترونیکی امروزه وارد محدوده نانو شده است. کاربرد نانوکامپوزیت های پلیمری در این حوزه کاملآ متنوع است و کاربردهای بالقوۀ بسیاری به شرح زیر دارد:

 

1.آنها در حسگرهای شیمیایی، دستگاه های الکترولومینسانس، الکتروکاتالیزور، باتری ها، پنجره های هوشمند و دستگاه های حافظه استفاده می شوند.

2. یکی دیگر از کاربردها شامل سلول های فتوولتائیک (PV) و فتودیودها، ابرخازن ها، رساناهای قابل چاپ، دیودهای ساطع نور (LED) و ترانزیستورهای اثر میدانی می شود.

3. هدایت الکتریکی نانولوله های کربنی در پلیمرهای عایق نیز موضوع قابل توجهی بوده است؛ این کاربرد بالقوه شامل حفظ تداخل الکترومغناطیسی، پوشش های رسانای شفاف، اتلاف الکترواستاتیک، ابرخازن ها، محرک های الکترومکانیکی و کاربردهای مختلف الکترود است.

4. پلیمرهای مزدوج با اجزای مختلف فیلر در مقیاس نانو برای کاربردهای حسگر من جمله حسگرهای گاز، حسگرهای زیستی و حسگرهای شیمیایی مورد بررسی قرار گرفته اند. نانوفیلرهای مورد استفاده شامل نانوسیم های اکسید فلزی، نانولوله های کربنی، طلا، نقره، نیکی، مس، پلاتین و ذرات پالادیوم در مقیاس نانو می شود.

5. علاقه نوظهور گرافن در کاربردهای الکتریکی با کشف نانولوله های کربنی اتفاق افتاد. گرافن ورقه ای ممکن است با دستیابی به محدودیت های قانون مور جایگزین سیلیکون شود.

6. سلول های خورشیدی با پایه پلیمر قابلیت استفاده در ساخت پنل های انعطاف پذیر بزرگ و ارزان را دارند؛ اما تنها نقطه ضعف آنها، کارایی بسیار پایین در مقایسه با سلول های خورشیدی تجاری است.

 

نتیجه گیری

در این مقاله به بررسی مختصر نانوکامپوزیت های پلیمری و کاربرد آنها در صنعت الکترونیک پرداخته شده است. اگرچه همچنان چالش های مرتبط با ساخت نانوکامپوزیت های پلیمری مانند پراکندگی و هم ترازی نانولوله های کربنی وجود دارد، اما داده های موجود نشان می دهد مقادیر هدایت الکتریکی و حرارتی آنها، آنها را بعنوان جایگزین ایده آل برای استفاده بعنوان TIM و همچنین در صورت نیاز به پدهای رسانای الکتریکی تبدیل می کند. تلاش های تحقیقاتی برای یافتن راهکارهای بهتر در جهت انتقال رسانایی حرارتی و الکتریکی بالای نانولوله های کربنی به ماتریس پلیمری در نانوکامپوزیت ها متمرکز است. با این وجود می توان گفت، این امید وجود دارد که نانوکامپوزیت های نانولوله ای پلیمری/ کربنی ممکن است یک نانومواد منحصر به فرد داشته باشند که به کوچک سازی دستگاه های الکترونیکی کمک می کند.