فناوری نانو در جوشکاری چه کاربردی دارد؟

فهرست مطالب

تمدنی که ما می شناسیم، به معنای واقعی کلمه، بدون تکنیک هایی برای اتصال مواد به یکدیگر از هم می پاشد. جوشکاری با پیشرفت تاریخی خود که به عصر برنز بازمی‌گردد، یکی از فناوری‌های کلیدی بوده است که به صنعت مدرن در زمینه‌های وسیعی مانند ساخت‌وساز، ساخت و مهندسی خدمت می‌کند. محققان دانشگاه شفیلد در بریتانیا اکنون توانایی جوش دادن قابل اعتماد نانوسیم ها و نانو اجسام را در هندسه های پیچیده با اتصالات قابل کنترل نشان داده اند. این نشان‌دهنده یک پیشرفت قابل توجه برای مونتاژ، یکپارچه‌سازی و تعمیر دستگاه‌های میکرو و نانو فعلی و آینده از پایین به بالا است. دکتر بورلی اینکسون به Nanowerk  می‌گوید: بیشتر تکنیک‌های اتصال روزمره را نمی‌توان در مقیاس نانو به کار برد، جایی که اجسام نانو به راحتی توسط گرما از بین می‌روند. دانشمندان راه‌های زیادی را برای ساختن نانو اشیاء منفرد ابداع کرده‌اند، اما راه‌های زیادی برای اتصال ایمن آنها به یکدیگر وجود ندارد. اما اکنون به نقطه‌ای رسیده‌ایم که توانایی جوش دادن تک تک اشیاء نانومتری مانند نانوسیم‌ها و نانوذرات به یکدیگر برای فناوری نانو در کاربردهایی مانند نانوحسگرها و نانوالکترونیک اهمیت حیاتی پیدا می‌کند.

تمدنی که ما می شناسیم، به معنای واقعی کلمه، بدون تکنیک هایی برای اتصال مواد به یکدیگر از هم می پاشد. جوشکاری با پیشرفت تاریخی خود که به عصر برنز بازمی‌گردد، یکی از فناوری‌های کلیدی بوده است که به صنعت مدرن در زمینه‌های وسیعی مانند ساخت‌وساز، ساخت و مهندسی خدمت می‌کند. محققان دانشگاه شفیلد در بریتانیا اکنون توانایی جوش دادن قابل اعتماد نانوسیم ها و نانو اجسام را در هندسه های پیچیده با اتصالات قابل کنترل نشان داده اند. این نشان‌دهنده یک پیشرفت قابل توجه برای مونتاژ، یکپارچه‌سازی و تعمیر دستگاه‌های میکرو و نانو فعلی و آینده از پایین به بالا است. دکتر بورلی اینکسون به Nanowerk  می‌گوید: بیشتر تکنیک‌های اتصال روزمره را نمی‌توان در مقیاس نانو به کار برد، جایی که اجسام نانو به راحتی توسط گرما از بین می‌روند. دانشمندان راه‌های زیادی را برای ساختن نانو اشیاء منفرد ابداع کرده‌اند، اما راه‌های زیادی برای اتصال ایمن آنها به یکدیگر وجود ندارد. اما اکنون به نقطه‌ای رسیده‌ایم که توانایی جوش دادن تک تک اشیاء نانومتری مانند نانوسیم‌ها و نانوذرات به یکدیگر برای فناوری نانو در کاربردهایی مانند نانوحسگرها و نانوالکترونیک اهمیت حیاتی پیدا می‌کند.

نوآوری در حوزه خرد و نانوساختار فرصت هایی برای ساخت سازه ها در مقیاس های میکرو و نانومتر ایجاد کرده اند. از این فرصت ها می توان برای ساخت دستگاه های الکترونیکی، نوری، مغناطیسی و بیولوژیکی اعم از سنسورها تا سیستم های محاسباتی و کنترل استفاده کرد. تا به امروز، کوچک سازی دستگاه ها، از سیستم الکتریکی به سیستم های مکانیکی، به طور فزاینده ای توسط نانوفناوری هدایت می شود. امروزه بیشتر تکنیک های میکرو و نانو توسط صنعت نیمه هادی توسعه داده شده است. صنعت نیمه هادی در 30 سال گذشته به سرعت رشد کرده است که توسط انقلاب میکروالکترونیک هدایت شده است. تمایل به قرار دادن بسیاری از ترانزیستورها بر روی یک ویفر سیلیکونی، راه‌های نوآورانه‌ای برای ساخت مدارهای الکترونیکی و جا دادن هرچه بیشتر دستگاه‌های الکترونیکی در محدوده یک دستگاه کوچک‌تر را موجب شده است.

تاکنون، استفاده از فناوری میکرو/نانو به کوچک سازی و یکپارچه سازی اجزای الکترونیکی، جهان ما را تغییر داده است. بعضی اوقات دشوار است تصور کنید که فقط دو دهه پیش رایانه های شخصی، تلفن های همراه و غیره وجود نداشت. چه چیزی این پیشرفت های تکنولوژیکی را امکان پذیر کرده است؟ یکی از مهمترین عوامل مؤثر، فناوری میکرو/ نانو است. به عنوان مثال، اگر ما باید فرایندی را که میکروالکترونیک را بسیار موفق کرده است خلاصه کنیم، می توانیم بگوییم که این ترکیب مینیاتوریزاسیون، یعنی ریز ساخت ترانزیستورها و سایر اجزای الکترونیکی و ادغام عملکردی، یعنی سازماندهی بسیاری از اجزای الکترونیکی مینیاتوری مختلف برای تشکیل مدارهای یکپارچه با عملکردهای پیچیده می باشد.

نانولوله های کربنی (CNTs)

نانولوله های کربنی (CNTs)، نانوسیستم‌هایی با خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فرد هستند که ساختار مولکولی خارق‌العاده ای را موجب می‌شود. یک نانولوله کربنی ایده آل را می توان به عنوان یک لایه گرافیت منفرد (ورق گرافن) در نظر گرفت که برای ایجاد یک لوله توخالی بدون درز این استوانه ها می توانند ده ها میکرون طول داشته باشند و قطر آنها به 7/0 نانومتر می رسد و در هر دو انتها توسط کلاهک های فولرن مانند بسته می شوند. نانولوله های کربنی با ضخامت دیواره یک ورقه کربنی، نانولوله های کربنی تک جداره (SWCNT)  نامیده می شوند. در نتیجه برهمکنش‌های واندروالس بین نانولوله‌ها، اغلب در طناب‌های بزرگ جمع می‌شوند: آرایه‌های منظمی از SWCNT که روی یک شبکه مثلثی مرتب شده‌اند را می توان به عنوان قطعات ساختمانی نانولوله های کربنی چند جداره (MWCNTs) در نظر گرفت که طول بسیار زیادی برحسب میکرون دارند و از یک آرایه کواکسیال از SWCNT ها با افزایش قطر از دو تا چند ده نانومتر تشکیل شده است.

در دهه گذشته، مقدار زیادی کار برای آشکار کردن خواص ساختاری، گاهی منحصر به فرد، ساختاری، الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی نانولوله‌های کربنی و کشف جالب‌ترین کاربردهای این مواد جدید اختصاص داده شده است. اول از همه،CNT ها مواد امیدوار کننده ای برای ساخت دستگاه های الکترونیک به ویژه ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) هستند. به خوبی شناخته شده است که ترانزیستورها با استفاده از نانولوله های کربنی ساخته شده اند که ساختار مولکولی نیمه هادی دارند. آنها مانند سیم های کوانتومی تک بعدی رفتار می کنند که وابسته به کایرالیته و قطر می تواند فلزی یا نیمه رسانا باشد. همچنین CNT می تواند به عنوانFET  یا CNTFET طبقه بندی شود. ابتدا بستر سیلیکونی اکسید می شود و یکCNT  روی لایه SiO2  حاصل قرار می گیرد. این کار را می توان در آزمایشگاه با پخش محلول CNT روی اکسید انجام داد. الکترودهای فلزی تماس می توانند تیتانیوم، نیکل، آلومینیوم، طلا و غیره باشند. تا کنون، تیتانیوم که پیوندهای فلز-کاربید با CNT  تشکیل می دهد، کمترین مقاومت تماسی را دارد. علاوه بر این، ویژگی‌های هندسی نانولوله‌ها، مانند نسبت ابعاد بالا و شعاع انحنای کوچک نوک، همراه با استحکام مکانیکی و پایداری شیمیایی خارق‌العاده، آن‌ها را به نامزدهای ایده‌آل برای گسیل‌کننده‌های میدان الکترونی، دارنده چندین کاربرد مانند نمایشگرهای صفحه تخت و حسگرهای گاز تبدیل می‌کند.

واضح است که CNT ها در حال حاضر یکی از بهترین مواد امیدوار کننده برای الکترونیک مولکولی هستند. با این حال، بسیاری از چالش ها قبل از تبدیل شدن به یک فناوری موفق باقی می مانند. به عنوان مثال، توانایی ایجاد تماس های فلزی و اتصال نانولوله ها به یکدیگر همچنین انتقال الکترونیکی از طریق نانولوله های مجزا و ساخت دستگاه های مبتنی بر نانولوله امکان بررسی رفتار فلزی و نیمه هادی را فراهم کرده است. تلاش عمده‌ای برای بررسی اینکه آیا نانولوله‌های مجزا (یا دسته‌ای) می‌توانند به عنوان سیم‌های مولکولی برای اتصالات درونی در مدارهای الکترونیکی استفاده شوند، انجام شده است.

تاکنون روش‌های زیادی برای اتصال نانولوله‌های کربنی با الکترودها و بهبود تماس‌های آن‌ها، مانند پیوند شیمیایی، تابش پرتو متمرکز یا بازپخت در دمای بالا، انجام شده است. با این حال، همه این برنامه ها با مشکلاتی روبرو هستند: آنها یا به شرایط فرآیندی سخت نیاز دارند یا تماس ها فاقد ثبات طولانی مدت هستند. از میان روشهای جوشکاری میکرو/نانو دو نوع تکنیک لیزر و پرتو الکترونی در زیر توضیح داده می شود.

لیزر برای جوشکاری میکرو/نانو

روش های اتصال پرتو لیزر علاوه بر امتیاز بالا در طیف کلان صنعتی فرآیندهای تولید، به طور فزاینده ای در فناوری میکروسیستم ها اهمیت پیدا می کنند. سیستم‌های لیزری، که تا سطحی پیشرفت کرده‌اند که بخصوص نگهداری از آنها مقرون به صرفه و آسان است لیزرهای دایود مادون قرمز و مادون قرمز نزدیک که می توانند به عنوان یک منبع گرمایش ایده آل عمل کنند، به ویژه برای بافت میکرو/نانوی مواد حساس مناسب هستند، زیرا بار حرارتی کم بر روی قطعات و ماهیت غیر تماسی آنها وجود دارد. در طول دهه‌ها لیزر، سیستم‌های تولید پالس لیزر ابزاری عالی برای پردازش انواع فلزات و سرامیک‌ها با کیفیت فوق‌العاده بودند. پردازش میکرو/نانو لیزری یک ابزار بسیار انعطاف پذیر است و در بسیاری از کاربردها بهترین سازش را در ترکیب دقت و کارایی نشان می دهد. علاوه بر این، مواد شکننده و شفاف به دلیل پیشرفت‌های اخیر نشان‌داده‌شده در میکروسیستم‌ها، بیش از پیش مورد توجه پردازش‌های میکرو/نانو لیزری قرار می‌گیرند.

زمانی که نسبت های تصویر بالا مورد نیاز است. در سالهای گذشته یک تغییر قابل توجه به سمت کوچک سازی و یکپارچگی عملکردی در چندین بازار به ویژه برای لوازم الکترونیکی مصرفی و مکاترونیک مشاهده شده است. جوشکاری میکرو/نانو پرتو لیزر با لیزرها، جدیدترین نسل با کیفیت پرتو بالا پتانسیل تبدیل شدن به یک فناوری پردازش بسیار محبوب در این زمینه کاربردی ارائه می دهد. چندین مزیت با فرآیندهای لیزر مرتبط است. اولاً، طیف گسترده ای از هندسه های اتصال از تک نقطه ای تا چندین نوع جوش درز قابل تحقق است. چگالی انرژی بالا در ترکیب با توانایی تمرکز خوب فرآیندهایی با قابلیت تکرارپذیری بالا را حتی برای آلیاژهای مس با پوشش های فلزی به عنوان مثال، نیکل، نقره و قلع امکان پذیر می کند. جوش ها مشخصاً اعوجاج کم دارند و ناحیه تحت تأثیر حرارت کوچکی را نشان می دهند. بر اساس راندمان انرژی فزاینده خوب لیزر اعمال شده، تعادل انرژی کلی فرآیندهای تولید به سمت فناوری های تولید سازگار با محیط زیست تغییر می کند.

مزایای لیزر میکرو / نانو جوش / اتصال

در نتیجه، مزایای لیزر میکرو / نانو جوش / اتصال به شرح زیر برجسته می شود:

  • 1) کنترل دقیق رسوب انرژی در ناحیه اتصال
  • 2) به حداقل رساندن منطقه تحت تأثیر گرما
  • 3) هندسه های پیچیده جوش و پیوند
  • 4) جوش انتخابی
  • 5) فرآیند تک مرحله ای
  • 6) زمان چرخه کوتاه
  • 7) بارگیری مکانیکی و حرارتی کم قطعات

پرتو الکترونی برای جوشکاری میکرو/نانو جوشکاری

پرتو الکترونی روشی گسترده از حوزه کاربردهای ماکرو است و به دلیل بار حرارتی کم بر روی قطعات، ورودی دقیق انرژی، ابزار بدون سایش و دستکاری پرتو های متعدد بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. این روش برای کاربردهای برد میکرو/نانو نیز اهمیت پیدا می کند. در زمینه فناوری میکروسیستم، امکان تمرکز دقیق بر قطر پرتوهای تنها چند میکرومتر، حتی کوچکتر، مهم‌ترین ویژگی است که کاربرد این روش به ویژه برای ابعاد کوچک جالب است. نوع معمول این فناوری اتصال، دستکاری تقریباً بدون اینرسی پرتو الکترونی از طریق سیم پیچ های الکترومغناطیسی است. این امکان حرکات نوسانی با فرکانس بسیار بالا را فراهم می کند که مزایای جوشکاری را به همراه دارد و امکان دوز بسیار دقیق ورودی انرژی و ورودی دقیق محلی آن را فراهم می کند. علاوه بر این، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بر مبنای پرتو الکترونی است، در عملکرد خود به عنوان حامل بارهای الکتریکی، مناسب ترین برای مواد فلزی است. محیط اتصال یک محفظه خلاء است که به میزان بالایی از اجزاء در برابر آلودگی و تشکیل اکسید احتمالی محافظت می کند.

از آنجایی که دستگاه های جوشکاری پرتو الکترونی از محدوده ماکرو با توان پرتوی 100 وات و تا چندین کیلو وات برای جوشکاری اجزای ریز مناسب نیستند، یک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) که مطابق با آن عمل می کند. به همین علت SEM به گونه ای اصلاح و گسترش یافته است که به عنوان یک ابزار جوشکاری بسیار امیدوارکننده تر است. در حالی که محققان حاضر واقعا مشتاق آینده بلندمدت جوشکاری میکرو/نانو هستند. به عنوان یک تکنیک جدید، جوشکاری میکرو/نانو هنوز در مراحل اولیه است و نیاز به بررسی از جنبه های مختلف دارد.

نانو لحیم

اینکسون و تیمش روش جدیدی را برای جوش دادن نانو سیم ‌ها و نانو اشیاء با استفاده از حباب‌ های کوچک لحیم کاری فلزی با عرض کمتر از 250 اتم ایجاد کرده‌اند. این تکنیک جوشکاری الکتریکی در مقیاس نانو، وضوح مکانی، انعطاف‌پذیری و کنترل‌پذیری جوش‌ها را بین نانوسیم‌ها و نانو اشیاء به‌طور اساسی بهبود می‌بخشد. اینکسون خاطرنشان می کند که پیشرفت کلیدی این است که از جریان مضر در نانو اشیاء که باید به یکدیگر متصل شوند، جلوگیری شود و در عوض، حجم های نانومقیاس یک فلز انتخابی در محل جوش با گرم کردن ژول نانوسیم قربانی، رسوب داده شود. اینکسون توضیح می دهد: نانو لحیم با حرارت دادن یک سیم فلزی ریز در تماس با موادی که قرار است به یکدیگر متصل شوند، رسوب می کند. سیم لحیم ذوب می‌شود و روی محل اتصال جریان می‌یابد. جوش‌کاری را می‌توان در زمان واقعی در داخل یک میکروسکوپ الکترونی مشاهده کرد و امکان انتخاب دقیق محل و مقدار نانولحیم‌کاری را فراهم می‌کند. استفاده از نانولحیم کاری بسیار هیجان انگیز است، زیرا استحکام و رسانایی اتصال را می توان با کنترل شیمی، ساختار و حجم مواد لحیم کاری در مقیاس نانو مهندسی کرد. تیم شفیلد لحیم کاری نانو اشیاء را به شبکه های پیچیده با دو مثال نشان داد که کاربرد و عملکرد گسترده این تکنیک را نشان می دهد.

در مثال اول، آنها نانوسیم‌های طلای 55 نانومتری را با لحیم طلا به الگوهای پیچیده، از جمله اتصالات سه‌گانه، جوش دادند، که به دلیل ناپایداری‌های مورفولوژیکی ناشی از جریان الکتریسیته، نمی‌توان با گرم کردن مستقیم ژول نانوسیم‌ها به آن دست یافت. اینکسون می‌گوید: توانایی جوشکاری نانوسیم‌های طلا بسیار مهم است، زیرا به دلیل رسانایی الکتریکی عالی و پایداری آنها در محیط‌های اکسیدکننده، آنها به طور گسترده برای الکترودها و اتصالات درونی در صنعت نیمه‌رسانا و تحقیقات نانوالکترونیک استفاده می‌شوند. در مثال دوم، محققان نشان دادند که نانوسیم‌های غیرمشابه را می‌توان با استفاده از ماده سوم به عنوان لحیم کاری به یکدیگر جوش داد. آنها به طور خاص لحیم کاری آلیاژ طلا-قلع را انتخاب کردند که به طور گسترده در جوشکاری ماکروسکوپیک به دلیل رسانایی عالی، نقطه ذوب پایین و مقاومت در برابر خوردگی زیاد استفاده می شود تا منجر به اتصال مقاومت الکتریکی بسیار کم بین نانوسیم ها شود. به گفته اینکسون، توانایی ادغام نانوسیم‌های کاربردی در مدارها از طریق اتصالات جوشی با کارایی بالا، پیشرفت قابل‌توجهی برای توسعه حسگر در مقیاس نانو است. علاوه بر این، بررسی فوری کیفیت نانوجوش برای نانوساختارهای عملی ضروری است، و این می تواند در محل مستقیماً پس از جوشکاری انجام شود.

روش جدید جوشکاری نانو را می توان برای اتصال نانو اشیاء با طیف وسیعی از اشکال و مواد شیمیایی مورد استفاده قرار داد و بنابراین می تواند در آینده به عنوان بخشی از خط ساخت نانومقیاس سه بعدی مورد استفاده قرار گیرد.

نانولحیم‌کننده همچنین می‌تواند چیزهایی را که در حین استفاده از هم جدا شده‌اند، مانند سیم‌های متصل در تراشه‌های رایانه‌ای که اغلب با تشکیل حفره‌ها از کار می‌افتند (به‌واسطه «الکترو مهاجرت») به هم متصل کند. نانولحیم دارای کاربردهای تحقیقاتی و صنعتی فوری از جمله ساخت نانوحسگرهای چند منظوره و نانوالکترونیک ساخته شده از تعداد کمی از نانواشیاء، و تعمیر اتصالات و قطعات الکترونیکی شکست خورده در مقیاس نانو است.

نویسنده: دکتر زینب رضوانی نیا

تجربه مشتریان
TESTIMONIAL
سوالات متداول
FAQ

آیا برای خرید سوال دارید ؟
مشاوران ما در خدمت شما هستند

دیدگاه ها
COMMENTS

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.