استفاده از نیتریک در فناوری نانو و مواد پیشرفته

مقدمه

نیتریک اسید برای بسیاری از جریان های نانو ساخت مهم هستند چون اکسیداسیون قوی و قابل کنترل، حل کردن مطمئن فلزات و فعال سازی تمیز سطح در سامانه های آبی را فراهم می کند. در نانو تکنولوژی و مواد پیشرفته، این واکنشگر در حذف ناخالصی، عاملی سازی سطح، تعریف الگو های نانویی، تنظیم تخلخل و مدیریت پیش ساز ها برای سنتز اکسید ها نقش دارد. همچنین در آماده سازی برای اندازه گیری و کنترل کیفیت نقش پنهانی اما تعیین کننده ای دارد و خیس شوندگی، جفت شدگی سیلان و جوانه زنی یکنواخت لایه ها را پایدار می کند. هرچند اکسید کننده های ترکیبی مشهور تر هستند، استفاده سنجیده از نیتریک اسید به تنهایی یا در ترکیب های معتدل انتخاب پذیری دقیق بین فلزات، نیمه رسانا ها، کربن ها و پلیمر ها می دهد. این مرور نقش های عملی نیتریک اسید در مقیاس نانو را پوشش می دهد، بر سازوکار های مهم در آزمایشگاه، پنجره های فرایندی که از بیش واکنی جلوگیری می کند و نقاط تصمیم برای حفظ بازده تمرکز دارد. هدف، نتایج قابل پیش بینی، رعایت محیط زیست در حد امکان و مسیر هایی است که از کشف های میلی گرمی تا مقیاس ویفر یا کیلوگرم بدون از دست دادن کارایی یا یکپارچگی ساختاری ترجمه می شود.

نمایه شیمیایی نیتریک اسید برای پردازش در مقیاس نانو

در مقیاس نانو، نیتریک اسید عمدتا به عنوان اکسید کننده عمل می کند که می تواند حالت های سطحی را به شکل تمیز تغییر دهد و فلزات را از راه تشکیل نیترات های محلول حل کند. در آب گونه بندی و رفتار اکسایش پذیری آن با غلظت، دما و حضور آنیون های کمپلکس ساز مانند کلرید یا فلورید از مراحل دیگر تنظیم می شود. برای نانوسازی، این یعنی می توان بین پاسیو سازی ملایم و اچ تهاجمی با تنظیم مولاریته و زمان ماند جابه جا شد. نیتریک اسید برای بسیاری از فلزات نیترات محلول می دهد و از بازرسوب ذرات که نقص و زبری می سازد جلوگیری می کند. در کربن ها و نیمه رسانا ها، اکسایش بیشتر در نواحی نقص رخ می دهد و این به فعال سازی انتخابی لبه، حذف باقی مانده کاتالیزوری و ایجاد سطح های غنی از هیدروکسیل برای شیمی جفت شدن کمک می کند. محصولات گازی مانند NO و NO2 نشانه پیشرفت واکنش هستند و موضوع تهویه و جذب را مهم می کنند. تسلط بر این اهرم ها پایه ای برای تولید نانو قابل تکرار است.

پاکسازی و رفع آلودگی از نانو مواد

کنترل ناخالصی، قابلیت اعتماد را در هر بستر نانو تعیین می کند و خرید حواله اسید نیتریک کارون برای حل کردن باقی مانده های فلزی پس از سنتز یا انتقال الگو یک ابزار روزمره است. فلزات کاتالیزوری مانند آهن، نیکل و مس که روی نانولوله های کربنی، گرافن یا دوده ها می مانند به آسانی به نیترات های محلول تبدیل می شوند و خاکستر را پایین می آورند و یکنواختی الکتریکی را بهبود می دهند. در اکسید های فلزی، شستشو با نیتریک کاتیون های ناخواسته و کربنات ها را که مانع دوپینگ بعدی یا رسوب دهی لایه اتمی می شوند بر می دارد. برای ویفر های اچ شده یا غشا های الگو دار، مراحل نیتریک بازرسوب پلاسما و ذرات چسبیده زیر برش را می زداید که در غیر این صورت حفره و ناهمواری می سازند. چون نیترات ها در آب محلول اند، آبکشی پس از تیمار ساده است و خطر آلودگی دوباره نسبت به شیمی های غنی از کلرید کمتر می شود. پنجره های فرایندی کوتاه، دمای ملایم و مشاهده رنگ و گاز برای تعیین پایان مفید است. نتیجه سطح های تمیز و آماده برای عاملی سازی یا پوشش یکنواخت است.

عاملی سازی نانو ساختار های کربنی

نیتریک اسید نقاط نقص و لبه های نانو لوله های کربنی، ورقه های گرافن، نانو الیاف و کربن های متخلخل را اکسید می کند و گروه های کربوکسیل، کربونیل و هیدروکسیل می افزاید که پخش پذیری را بالا می برد و جفت شدن کووالانسی را ممکن می کند. این گروه ها پلیمر ها، مولکول های کوچک، نانو ذرات یا زیست مولکول ها را لنگر می کنند و کامپوزیت های مناسب برای الکترونیک، غشا، حسگر و انرژی می سازند. به موازات، نیتریک اسید باقی مانده های فلزی کاتالیزور را که فعالیت را می کاهد حذف می کند. این تیمارها نیاز دارد کنترل دقیق روی قدرت اسید، زمان و دما اعمال شود تا از آسیب به صفحه های پایه و از دست رفتن نسبت طول به قطر جلوگیری شود؛ تعدیل محتاطانه رسانایی و استحکام را نگه می دارد و در عین حال پیوند های قوی بین سطح و فاز تقویتی فراهم می آورد. دستور های عملی از رفلاکس کوتاه یا غوطه وری در دمای اتاق با آبکشی کامل و خنثی سازی پیروی می کنند و بلافاصله به مراحل جفت شدن می روند تا حالت فعال حفظ شود. حاصل پخش های پایدار و رفتار الکتریکی قابل پیش بینی است.

آماده سازی سطح نیمه رسانا و رفتار اچ

نیتریک اسید به اکسایش کنترل شده و تنظیم زبری ریز در سیلیکون، ژرمانیم و ترکیبات III V کمک می کند. در سیلیکون اکسید نازک و سطح های غنی از هیدروکسیل می سازد که سیلان زنی یکنواخت و جوانه زنی دی الکتریک با کیفیت را ارتقا می دهند. در مواد III V مانند آرسنید گالیم یا فسفید ایندیوم، مخلوط های مبتنی بر نیتریک با اسید های آلی در زمان های محدود اچ نرم و حساس به وجه می دهند و از حفره جلوگیری می کنند. در نیمه رسانا های ترکیبی، اکسایش اغلب با گام حل شدن همراه است، بنابراین زمان بندی و هم زدن شکل شناسی و انتخاب پذیری را در وایا و میز ها تعیین می کند. برای نانو سیم ها و مواد متخلخل، تیمار معتدل نیتریک فلزات قربانی و بذر های رشد را بدون فروپاشی سازه می زداید. اهرم مهندسی در توازن نرخ اکسایش با حل شدن است تا زیر برش ماسک یا لایه های چسب رخ ندهد و یکپارچگی الگو حفظ شود.

نانو ذرات فلزی، بازشکل دهی اکسیداتیو و برداشت لیگاند

نانو ذرات فلزی به شیمی سطح بسیار حساس اند و نیتریک اسید ابزاری دقیق برای برداشتن لیگاند های محکم و بازشکل دهی وجه ها از راه چرخه های حل شدن و رسوب مجدد اکسیداتیو است. برای نقره، نیکل و مس، نیتریک رقیق لیگاند ها و بخشی از پوسته بیرونی را می زداید، سطح کاتالیزوری را آشکار می کند و رسانایی خطوط چاپ شده را بهبود می دهد. در سامانه های طلا، نیتریک به طور غیر مستقیم در ترکیب های کلرید دار نرخ اچ را طرفدار وجه های پر انرژی می کند، اما نیتریک تنها برای پاکسازی تکیه گاه و زدایش آلیاژی وقتی نقره یا مس حضور دارد سودمند است. برداشت لیگاند دمای تف جوشی لازم را پایین می آورد و گردن های ریز تر بدون درشت شدن دانه می دهد. مهار فرایند به زمان و مولاریته بستگی دارد و سپس توقف سریع برای قفل کردن شعاع مطلوب انجام می شود. نتیجه سطح های تمیز، فعال و چسبندگی بهتر پوشش های بعدی است.

مسیر های سل ژل و نیتراتی برای اکسید های پیشرفته

شیمی نیترات پشتوانه مقیاس پذیر برای سل ژل و رسوب دهی اکسید های تیتانیا، سریم، فریت ها و اکسید های مخلوط است. اینجا، نیتریک اسید pH را تنظیم می کند و یون های نیترات می دهد که گونه های میانی را پایدار، نرخ هیدرولیز را کنترل و کلوئید ها را پپتایز می کنند تا توزیع اندازه باریک شود. در تیتانیا و سریم، pH پایین از تراکم زودرس جلوگیری می کند و خنثی سازی بعدی مورفولوژی را پیش از کلسیناسیون قفل می کند. در اسپینل ها و پروسکایت ها، محیط نیتراتی اختلاط کاتیونی همگن در مقیاس مولکولی را ترویج می کند، فاصله های نفوذ را کم می کند و دمای بلوری شدن را پایین می آورد. این رویکرد کمک میکنند مقیاس پذیری با خلوص فاز و سطح ویژه مهم برای کاتالیز، فوتوکاتالیز و ذخیره الکتروشیمیایی حفظ شود. چون نیترات ها به اکسید ها و گاز های فرار تجزیه می شوند، پس مانده کربنی اندکی می ماند و پس تیمار ساده تر و گرفتگی راکتور کمتر است. به این ترتیب دستور های آزمایشگاهی به سنتز های کیلوگرمی پایدار تبدیل می شوند.

قالب گیری و کنترل تخلخل در مواد پیشرفته

مواد متخلخل کربنی، اکسیدی و چارچوب های هیبریدی نیازمند حذف دقیق قالب و گشودن منافذ هستند و نیتریک اسید در این مرحله جایگزین تمیز تری نسبت به اکسید کننده های هالوژنه می دهد. در سیلیکا ها یا کربن های قالب نرم، نیتریک اسید به حذف سورفکتانت و آلی باقیمانده کمک می کند، توزیع اندازه منفذ را تیز تر و آب دوستی را باز می گرداند. در قالب سخت با دانه های پلیمری یا فلز قربانی، نیتریک قالب یا خاکستر آن را حل می کند بدون آنکه بقایای مسدود کننده روی سطح جذب باقی بگذارد. در چارچوب های آلی فلزی و کربن های مشتق، تیمار ملایم نیتریک تعادل بین اکسیژن سطحی و رسانایی را تنظیم می کند و انرژی جذب و سینتیک الکتروکاتالیز را متاثر می سازد. چون نیتریک با آب کاملا امتزاج پذیر است، نفوذ به منافذ کوچک خوب است و یکنواختی تیمار حتی در قطعات ضخیم حاصل می شود. خروجی، سطح در دسترس بالاتر، انتقال جرم یکنواخت و چسبندگی قوی تر به بایندر یا پوشش است.

جریان های پس از لیتوگرافی و نانو الگو سازی

پس از ظهور یا لیفت آف، نیتریک اسید به حذف ناخالصی فلزی، خوشه های بازرسوب و آلودگی های گیرانداز بار کمک می کند که بازده را پایین می آورند. غوطه وری کوتاه باقی مانده های مس یا نیکل را از لایه های بذر یا فرز یونی حل می کند، زبری لبه خط و مقاومت تماس را بهتر می کند و در شرایط ملایم به فلزات نجیب حمله نمی کند. سطح های تیمار شده با نیتریک هیدروکسیله می شوند و این امر به چسبندگی ماسک های سخت سیلکسانی یا جوانه زنی ALD کمک می کند. در نانو ایمپرینت یا لیتوگرافی پرتو الکترون، نیتریک آلودگی های مربوط به رزیت را اصلاح می کند که خیس شوندگی یکنواخت را از بین می برد. چون نشانه های بصری مانند تغییر رنگ و گاز همراه حل شدن فلز رخ می دهد، تعیین پایان بدون ابزار گران ممکن است، هرچند اندازه گیری توصیه می شود. نسبت به اکسید کننده های تهاجمی، نیتریک کنترل نرخ دقیق تر و آبکشی ساده تری می دهد.

مواد انرژی : فعال سازی کاتالیست و مهندسی سطح ویژه

نیتریک اسید تکیه گاه های کربنی و اکسیدی در سلول سوختی، باتری و الکترولایزر را با افزودن گروه های اکسیژنی و برداشتن ناخالصی های پاسیو کننده فعال می کند. در کربن ها، اکسایش کنترل شده چگالی نقص را بالا می برد و لنگر اندازی نانو ذرات فلزی را بهبود می دهد و پخش را افزایش می دهد و رسانایی را با محدود کردن شدت حفظ می کند. در اکسید های فلزی واسطه، شستشوی نیتراتی پس از تیمار حرارتی وجوه پر انرژی را نمایان و جایگاه های اکسیژن خالی ایجاد می کند و برای چرخه پذیری ردوکس مفید است. نقش اسید نیتریک در تولید باتری های جدید به ویژه در افزایش سطح فعال الکترود ها و ارتقای راندمان شارژ و دشارژ بسیار پررنگ است. در جمع کننده های چاپی، نیتریک پیوند های بین ذره ای در مسیر های مس و نقره را تمیز می کند و رسانایی را در دمای مناسب برای زیرلایه های انعطاف پذیر بالا می برد. در جداکننده ها و غشا ها، پیش تیمار نیتریک منافذ را یکنواخت باز می کند و خیس شوندگی الکترولیت را بهبود می دهد. دوز دقیق لازم است تا از خوردگی بیش از حد یا فرو ریزش منفذ جلوگیری شود.

درگاه های زیست پزشکی، استریلیزاسیون و کنترل اندوتوکسین

در نانو زیست پزشکی، تمیزی سطح، آب دوستی و سازگاری زیستی عملکرد را تعیین می کند. نیتریک اسید با حل کردن باقی مانده های فلزی، برداشتن ذرات معدنی و ایجاد سطح های غنی از هیدروکسیل کمک می کند که پوشش های ضد پروتئین و پیوند های زیستی پایدار را پشتیبانی کنند. تیمار های پزشکی مبتنی بر نیتریک برای پاسیو سازی فولاد زنگ نزن و آلیاژ های قابل کاشت استفاده می شوند و یون های قابل رهش را که پاسخ التهابی ایجاد می کند محدود می کنند. برای غشا های نانو متخلخل و حسگر ها، شستشوی نیتریک آلاینده های میکروبی و اندوتوکسین های چسبنده به نواحی آبگریز را می زداید و استریلیتی را پیش از عاملی سازی بهبود می دهد. با آبکشی فراوان و خشک کردن کنترل شده، زمینه آزمون یکنواخت و سینتیک اتصال تکرار پذیر می شود. چون زیست شناسی به ناخالصی های ردی حساس است، ثبت غلظت، زمان و حجم آبکشی بخشی از سیستم کیفیت است.

مواد دوبعدی و مکسین ها، شیمی پس از اچ و تنظیم پایان ها

پس از سنتز مواد دوبعدی، تیمار های ملایم با نیتریک اسید از اکسایش قابل پیش بینی و تبادل یون بهره می برند. در گرافن نیتریک سبب p دوپینگ از راه گروه های اکسیژنی سطحی می شود که موقتا رسانایی را بالا می برد و مقاومت تماس را پیش از کپسوله سازی تنظیم می کند. در دی کالکوژنید های فلزی، تیمار های ملایم باقی مانده های فلز از فرایند انتقال را بدون اچ صفحه های پایه وقتی زمان به دقت کنترل شود می زداید. در مکسین ها، محلول های نیتریک نمک های واکنش ندیده و محصولات جانبی را پس از اچ فاز مادر بر می دارند و با ترکیب با بین لایه ای سازی و لایه برداری پایداری کلوییدی را بهبود می دهند. این اثر ها کوچک اما ارزشمند اند، به ویژه وقتی یکنواختی عملکرد دستگاه به دستگاه مهم تر از رکورد یک نمونه است. مهندسان فرآیند تغییرات کوچک کار تابعی، پتانسیل زتا و خیس شوندگی را به دوز نیتریک پیوند می زنند.

کنترل خوردگی، پاسیو سازی و ترفیع چسبندگی

با وجود اکسید کننده بودن، نیتریک اسید در شرایط درست به جای خوردن، پاسیو می کند و فیلم های اکسیدی محافظ می سازد که چسبندگی و دوام پوشش ها را بهتر می کند. فولاد های زنگ نزن و برخی آلیاژ های نیکل پس از تیمار نیتریک لایه های غنی از کروم می سازند که سطح را پیش از رسوب پلیمر یا اکسید پایدار می کند. در مس و آلومینیوم، تماس کوتاه کدر شدگی را بر می دارد و اکسید یکنواختی ایجاد می کند که قدرت پیوند برای چسب ها و لایه های سد را بالا می برد. در سامانه های میکروالکترومکانیکی و الکترونیک انعطاف پذیر، این کنترل شیمی بین لایه ای به جدایش کمتر و عمر بیشتر زیر تنش حرارتی یا مکانیکی ترجمه می شود. هنر عملی در برش زمان تماس است تا اکسید پیوسته و نازک شود و از پوسته شدن یا ترک جلوگیری گردد. با خشک کردن کنترل شده و پوشش فوری، سطح های پاسیو عملکرد یکنواختی نشان می دهند.

برهم کنش های ویژه ماده و نقشه انتخاب پذیری

نیتریک اسید با فلزات، نیمه رسانا ها، کربن ها و پلیمر ها متفاوت تعامل می کند و همین تنوع پردازش انتخابی را ممکن می سازد. در فلزات، اکسایش نیترات های محلول می دهد و پاکسازی یا اچ سریع مس و نقره را فراهم می کند و فلزات نجیب را تا وقتی کلرید نباشد دست نخورده می گذارد. در نیمه رسانا ها، نیتریک اکسید می سازد و با عوامل کمپلکس ساز برای پروفیل های نرم و حساس به وجه ترکیب می شود. در کربن ها، فعال سازی در نقص ها رخ می دهد و برای مهندسی بین سطحی عالی است و باید محدود شود تا رسانایی حفظ گردد. در اکسید ها، هماهنگی نیتراتی و پپتایز شدن کلوئید ها برای تیتانیا ها و سریم های سل ژل حیاتی است. پلیمر ها معمولا در تماس کوتاه مقاوم اند اما تماس طولانی اکسید و شکننده می کند، پس پنجره های فرایندی کوچک طراحی می شود. جدول زیر الگو های عملی را خلاصه می کند.

جدول انتخاب پذیری و پیامد