شکل b3-3 میدان پراکـــنده شده از نقره به قـــطر r=45nm در حالت تشــــدیـد
در  ۴۸
شکل c3-3 میدان پراکنده شده از نقره به قطر r=45nm در حالـــت بعد از تشــدید
در  ۴۸
فصل اول
کلیات طرح
فصل اول: کلیات طرح
۱-۱ بیان مسئله و هدف‌های تحقیق
نانو تکنولوژی، دست‌یابی به فناوری کاربرد ذراتی با ابعاد نانومتر است که به نانوذرات موسومند. دلیل انتخاب این مقیاس برای کار بر روی مواد، خواص خارق‌العاده‌ای است که در ذراتی با این اندازه ظاهر می‌شوند و امروزه به شدت مورد توجه دانشمندان قرار گرفته اند. نگاه به فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی از دید نانومتری، یعنی در ابعاد اتمی اطلاعاتی به دست می‌دهد که راحت‌تر می‌توان مسیر تشکیل آن را مشخص و خواسته‌ها و نظرات شخصی را در آن اعمال نمود]۱[. آن چه که امروز تحت عنوان نانوتکنولوژی مطرح است آشنا شدن و کنترل کردن بسیاری از پدیده‌ها در ابعاد اتمی و آنگسترومی است. پیشرفت‌ های اخیر در ساخت تیوپ کربن، موتورهای بیومولکولی، حسگرهای با ابعاد باکتری، فیلترهای میکرونی و دیگر موارد، موجبات تغییر و تحول در علوم مختلف از جمله کامپیوتر، فیزیک، الکترونیک، هوا فضا، شیمی و محیط زیست و دیگر علوم را فراهم کرده است]۲[. از این میان، نانوذرات فلزی طلا و نقره به دلیل خواص منحصر به فردشان مورد توجه هستند. یکی از جالب‌ترین جنبه‌های نانوذرات فلزی این است که خواص نوری آن‌ها به شدت به اندازه و شکل ذره وابسته است. نور منعکس شده از طلای توده‌ای زردرنگ است، اما فیلم‌های نازک طلا، نور آبی از خود عبور می‌دهند. با کاهش اندازه این فیلم تا حدود ۳nm، این رنگ تدریجاً به ارغوانی، قرمز و سرانجام نارنجی تبدیل می‌شود. این اثرات، نتیجه‌ی تغییراتی موسوم به تشدید پلاسمون سطحی – فرکانسی که در آن الکترون‌های نوار رسانش در پاسخ به میدان الکتریکی متناوب یک پرتو الکترومغناطیس برخوردی نوسان می‌کنند- است. با این حال تنها فلزات دارای الکترون‌های 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]۳[ و]۴[.

۱-۲- اهمیت موضوع تحقیق و انگیزش انتخاب آن
امواج پلاسمون سطحی که در فصل‌های بعدی مورد بحث قرار خواهند گرفت، یکی از مباحث نو و جدید در حیطه نانواپتیک هستند. از سال ۱۹۹۰ تعداد سالانه مقالات در مورد پلاسمون‌های سطحی هر ۵ سال، دو برابر شده است]۵[، این رشد سریع با پیشرفت و تجاری کردن کدهای محاسباتی نیرومند، تکنیک‌های ساخت نانو و تکنیک‌های تحلیل فیزیکی، امکان بیش‌تری به مهندسین و محققین با ارائه ابزار لازم برای طراحی ساخت و تحلیل خواص اپتیکی نانو ساختارهای فلزی، فراهم می‌کند]۵[.
این گرایش جدید استفاده‌های قابل توجهی در بحث حس‌گرها، آنتن‌ها، گیرنده‌ها و ادوات نوری در مقیاس نانو دارد]۶[. 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 پراکندگی 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.
۱-۳ سؤالات و فرضیه‌های تحقیق
a1–۳ سؤالات تحقیق:

• • چرا از ذرات فلزی در مقیاس نانو در این تحقیق استفاده می‌شود؟

• • چرا نانو ذرات نقره در این روش کاربرد بیش‌تری دارند؟

• • تغییرات دما چه تأثیری می‌تواند در سطح مقطع پراکندگی این ذرات ایجاد کند؟

• • آیا تغییرات مشاهده شده، قابل توجه هستند؟

• • آیا اندازه نانو ذرات فلزی در میزان پراکندگی تأثیر دارد؟

• • پدیده پلاسمون و پلاسمون سطحی چیست و تحت چه شرایطی رخ می‌دهد؟

b1–۳ 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.

۱–۴- تعاریف عملیاتی متغیرها و واژه‌های کلیدی
نانوذرات فلزی: طبق تعریف عمومی نانوذرات، ذراتی با ابعاد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر هستند.
پلاسمون: در فیزیک، به نوسانات پلاسمایی تشکیل شده در سطح فلز، پلاسمون گویند. یا، عملکرد الکترون‌های آزاد بر روی سطح فلزات، پدیده‌ای است که پلاسمون نامیده می‌شود]۶[.
امواج پلاسمون سطحی: فصل مشترک میان ماده‌ای با ثابت دی‌الکتریک مثبت و ماده‌ای با ثابت دی‌الکتریک منفی مثل فلزات می‌تواند باعث انتشار امواج الکترومغناطیسی ویژه‌ای شود که امواج پلاسمون سطحی خوانده می‌شوند و در محدوده‌ی نزدیک سطح باقی می‌مانند]۶[.
۱-۵- مدل تحقیق
بر اساس حل معادله موج ماکسول در یک منطقه که شامل ذره فلزی در زمینه خلاء است، می‌باشد.
۱-۶- 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.
۱-۷- قلمرو تحقیق
تحقیق با توجه به آخرین یافته‌ها در ادبیات مربوطه، از طریق مطالعات کتابخانه‌ای، بررسی پایان‌نامه‌های مرتبط و مقالات ژورنال های تخصصی در این زمینه ها و جستجو در اینترنت صورت می گیرد.
فصل دوم
مطالعات نظری
فصل دوم: مطالعات نظری
مقدمه
“در پایین فضای کافی وجود دارد” این جمله عنوان سخنرانی ریچارد فاینمن در سال ۱۹۵۹ در انجمن فیزیک امریکاست. وی در سخنرانی مشهور خود، به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت و توجه دانشمندان را به توانایی بشر برای دست‌کاری مواد در مقیاس اتمی جلب نمود. ایشان که پایه‌گذار نانوتکنولوژی شناخته می‌شوند، عقیده داشتند، مشکلات موجود در علوم مختلف در صورتی قابل حل است که دانشمندان در سطوح اتمی توانایی مطالعه و بررسی داشته باشند]۹[. البته استفاده از نانو مواد برخلاف تصور عمومی، دارای سابقه‌ی تاریخی طولانی می‌باشد و نقطه شروع استفاده از مزایای نانوساختارها توسط انسان مشخص نیست. اما این استفاده فقط بر اساس کشفیات اتفاقی بوده و دلیل علمی آن‌ها ناشناخته بوده است. برای مثال رومی‌ها چهار قرن قبل از میلاد، از نانوذرات فلزی برای رنگ‌آمیزی شیشه‌ها بهره می‌گرفتند]۱۰[.
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کم‌تر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانوتکنولوژی فهم و بکارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم‌هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی از خود نشان می‌دهند؛ که این موضوع عمدتاً به علت غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک به وجود می‌آید]۱۱[.
۲-۱- روش‌های تولید نانو مواد
اصلی‌ترین روش‌های ساخت مواد نانو را می‌توان در دو روش کلی ۱- روش بالا به پایین و ۲- روش پایین به بالا خلاصه نمود.