Vapor–liquid–solid method
بخارات-مائع-ٹھوس طریقہ (وی ایل ایس) کیمیائی بخارات کے جمع ہونے سے ایک جہتی ڈھانچے، جیسے نانووائر کی نشوونما کے لیے ایک طریقہ کار ہے۔ ٹھوس سطح پر گیس مرحلے کے براہ راست جذب کے ذریعے کرسٹل کی نشوونما عام طور پر بہت سست ہوتی ہے۔ وی ایل ایس میکانزم ایک اتپریرک مائع مرکب مرحلے کو متعارف کروا کر اس کا احاطہ کرتا ہے جو تیزی سے بخارات کو سپرسیچوریشن کی سطح تک جذب کر سکتا ہے، اور جس سے مائع ٹھوس انٹرفیس پر نیوکلیئٹڈ بیجوں سے کرسٹل کی نشوونما ہو سکتی ہے۔ اس طریقے سے اگائے جانے والے نانووائر کی جسمانی خصوصیات کا انحصار قابل قابو طریقے سے مائع مرکب کے سائز اور جسمانی خصوصیات پر ہوتا ہے۔ تاریخی پس منظر وی ایل ایس میکانزم کو 1964 میں سلکان سبسٹریٹ پر رکھے گئے مائع سونے کے قطرے کی موجودگی میں گیس مرحلے سے سلکان وسکر کی نشوونما کی وضاحت کے طور پر تجویز کیا گیا تھا۔ یہ وضاحت مٹھی میں محوری سکرو کی بے ترتیبی کی عدم موجودگی (جو خود ایک نمو کا طریقہ کار ہے)، نشوونما کے لیے سونے کی بوند کی ضرورت، اور نشوونما کے پورے عمل کے دوران وسکر کی نوک پر بوند کی موجودگی سے متاثر تھی۔ وی ایل ایس میکانزم کو عام طور پر تین مراحل میں بیان کیا جاتا ہے: سبسٹریٹ پر مائع مرکب بوند کی تیاری جس سے تار کو اگایا جانا ہے بخارات کے طور پر اگائے جانے والے مادے کا تعارف، جو مائع کی سطح پر جذب ہوتا ہے، اور مائع/ٹھوس انٹرفیس پر بوند سپرسیچوریشن اور نیوکلیئشن میں پھیل جاتا ہے جس سے محوری کرسٹل کی نشوونما ہوتی ہے۔ تجرباتی تکنیک وی ایل ایس کا عمل مندرجہ ذیل ہوتا ہے: ایک پتلی (~ 1-10 nm) آؤ فلم کو سلکان (Si) ویفر سبسٹریٹ پر اسپٹر کے جمع ہونے یا تھرمل بخارات کے ذریعے جمع کیا جاتا ہے۔ ویفر کو آؤ-سی یوٹیکٹک پوائنٹ سے زیادہ درجہ حرارت پر اینیل کیا جاتا ہے، جس سے ویفر کی سطح پر آؤ-سی مرکب دھات کی بوندیں پیدا ہوتی ہیں (آؤ فلم جتنی موٹی ہوگی، بوندیں اتنی ہی بڑی ہوں گی)۔ اے یو کو سی کے ساتھ ملانے سے مرکب کے اجزاء کے مقابلے میں مرکب کے پگھلنے کے درجہ حرارت میں بہت کمی واقع ہوتی ہے۔ Au: Si مرکب کا پگھلنے کا درجہ حرارت کم از کم (~ 363 °C) تک پہنچ جاتا ہے جب اس کے اجزاء کا تناسب 4:1 Au: Si ہوتا ہے، جسے Au: Si یوٹیکٹک پوائنٹ بھی کہا جاتا ہے۔ لیتھوگرافی کی تکنیکوں کو بوندوں کے قطر اور پوزیشن کو قابو میں رکھنے کے لیے بھی استعمال کیا جا سکتا ہے (اور جیسا کہ آپ ذیل میں دیکھیں گے، اس کے نتیجے میں بننے والے نانووائر)۔ ایک جہتی کرسٹل نینو وائروں کو پھر مائع دھات-مرکب کے قطرے-اتپریرک کیمیائی یا جسمانی بخارات کے جمع ہونے کے عمل کے ذریعے اگایا جاتا ہے، جو خلا کے جمع ہونے کے نظام میں ہوتا ہے۔ سبسٹریٹ کی سطح پر آؤ-سی بوندیں عام بخارات-ٹھوس نمو کی فعال توانائی کو کم کرنے کا کام کرتی ہیں۔ مثال کے طور پر، ایس آئی کو سی آئی سی ایل 4: ایچ 2 گیسی مرکب رد عمل (کیمیائی بخارات جمع) کے ذریعے جمع کیا جا سکتا ہے، صرف 800 ڈگری سیلسیس سے اوپر کے درجہ حرارت پر، عام بخارات کی ٹھوس نشوونما میں۔ مزید برآں، اس درجہ حرارت سے نیچے ترقی کی سطح پر تقریبا کوئی ایس آئی جمع نہیں ہوتا ہے۔ تاہم، آؤ کے ذرات 363 ڈگری سیلسیس سے اوپر کے درجہ حرارت پر آؤ-سی یوٹیکٹک بوندیں بنا سکتے ہیں اور بخارات کی حالت سے سی کو جذب کر سکتے ہیں (کیونکہ آؤ 100% تک تمام سی کے ارتکاز کے ساتھ ایک ٹھوس حل تشکیل دے سکتا ہے) جب تک کہ آؤ میں سی کی سپر سیچوریٹڈ حالت تک نہ پہنچ جائے۔ مزید برآں، نانوسائزڈ آؤ-سی بوندوں کے پگھلنے کے مقامات (ریف) بہت کم ہوتے ہیں کیونکہ سطح کے رقبے سے حجم کا تناسب بڑھ رہا ہے، توانائی کے لحاظ سے ناموافق ہوتا جا رہا ہے، اور نینو میٹر کے سائز کے ذرات بوندوں (دائرے یا نصف دائرے) بنا کر اپنی سطح کی توانائی کو کم کرنے کا کام کرتے ہیں۔ سی میں یوٹیکٹک مرکب کے مقابلے میں بہت زیادہ پگھلنے کا نقطہ (~ 1414 °C) ہوتا ہے، اس لیے سی ایٹم مائع-مرکب/ٹھوس-سی انٹرفیس پر سپرسیچوریٹڈ مائع-مرکب کے بوند سے نکلتے ہیں، اور بوند سطح سے اٹھتی ہے۔ اس عمل کو شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔ وی ایل ایس طریقہ کار کی عام خصوصیات عام بخارات-ٹھوس نمو کے مقابلے میں رد عمل کی توانائی کو بہت کم کرتی ہیں۔ تار صرف دھات کے اتپریرک کے ذریعے فعال علاقوں میں بڑھتے ہیں اور تاروں کے سائز اور پوزیشن کا تعین دھات کے اتپریرک کے ذریعے کیا جاتا ہے۔ یہ ترقی کا طریقہ کار مختلف قسم کے مواد سے انتہائی انیسوٹروپک نانووائر صفوں کو بھی تیار کر سکتا ہے۔ اتپریرک ذرات کے لیے تقاضے اتپریرک کے لیے تقاضے یہ ہیں: اسے نینو وائر نمو کے درجہ حرارت پر اگائے جانے کے لیے کرسٹل مواد کے ساتھ مائع حل بنانا چاہیے۔ سبسٹریٹ مواد کے ٹھوس اور مائع مراحل میں اتپریرک ایجنٹ کی ٹھوس گھلنشیلتا کم ہوتی ہے۔ مائع مرکب پر اتپریرک کا توازن بخارات کا دباؤ چھوٹا ہونا چاہیے تاکہ بوند بخارات نہ بنے، حجم میں سکڑ جائے (اور اس وجہ سے رداس)، اور بڑھتے ہوئے تار کے رداس کو اس وقت تک کم کرے جب تک کہ بالآخر نشوونما ختم نہ ہو جائے۔ اتپریرک کو رد عمل کی مصنوعات (سی وی ڈی نانووائر کی ترقی کے دوران) کے لیے غیر فعال (غیر رد عمل) ہونا چاہیے۔ بخارات-ٹھوس، بخارات-مائع، اور مائع-ٹھوس انٹرفیسیل توانائیاں بوندوں کی شکل میں کلیدی کردار ادا کرتی ہیں اور اس لیے مناسب اتپریرک کا انتخاب کرنے سے پہلے ان کی جانچ کی جانی چاہیے۔ بوندوں اور ٹھوس کے درمیان چھوٹے رابطے کے زاویے بڑے رقبے کی نشوونما کے لیے زیادہ موزوں ہوتے ہیں، جبکہ بڑے رابطے کے زاویے کے نتیجے میں چھوٹے (کم رداس) مٹھی بنتے ہیں۔ نینو وائروں کی انتہائی دشاتمک نشوونما پیدا کرنے کے لیے ٹھوس-مائع انٹرفیس کو کرسٹلگرافک طور پر اچھی طرح سے متعین ہونا چاہیے۔ یہ بتانا بھی ضروری ہے کہ ٹھوس-مائع انٹرفیس، تاہم، مکمل طور پر ہموار نہیں ہو سکتا۔ مزید برآں، اگر ٹھوس مائع انٹرفیس جوہری طور پر ہموار ہوتا، تو ٹھوس سے منسلک ہونے کی کوشش کرنے والے انٹرفیس کے قریب ایٹموں کے پاس اس وقت تک منسلک ہونے کی کوئی جگہ نہیں ہوتی جب تک کہ ایک نیا جزیرہ نیوکلیٹ نہ ہو جائے (ایٹم اسٹیپ لیجز پر منسلک ہوتے ہیں)، جس کی وجہ سے ترقی کا عمل انتہائی سست ہوتا ہے۔ لہذا، "کھردری" ٹھوس سطحیں، یا سطحیں جن میں بڑی تعداد میں سطحی جوہری مراحل ہوتے ہیں (مثالی طور پر 1 ایٹم چوڑا، بڑی نمو کی شرحوں کے لیے) جمع شدہ ایٹموں کے منسلک ہونے اور نینو وائر کی نشوونما کے لیے ضروری ہیں۔ گروتھ میکانزم اتپریرک بوندوں کی تشکیل استعمال شدہ مواد کا نظام، نیز ویکیوم سسٹم کی صفائی اور اس وجہ سے آلودگی کی مقدار اور/یا تجربے کے دوران بوندوں اور ویفر کی سطح پر آکسائڈ کی تہوں کی موجودگی، دونوں بوندوں/سطح کے انٹرفیس پر موجود قوتوں کی مطلق شدت کو بہت زیادہ متاثر کرتے ہیں اور اس کے نتیجے میں بوندوں کی شکل کا تعین کرتے ہیں۔ بوند کی شکل، یعنی۔ رابطہ زاویہ (β0، شکل 4 دیکھیں)، ریاضیاتی طور پر ماڈل کیا جا سکتا ہے، تاہم، نشوونما کے دوران موجود اصل قوتوں کی تجرباتی طور پر پیمائش کرنا انتہائی مشکل ہے۔ بہر حال، کرسٹل لائن سبسٹریٹ کی سطح پر ایک اتپریرک ذرہ کی شکل کا تعین سطح کے تناؤ کی قوتوں اور مائع ٹھوس انٹرفیس تناؤ کے توازن سے ہوتا ہے۔ بوند کا رداس رابطے کے زاویے کے ساتھ مختلف ہوتا ہے: جہاں r0 رابطے کے علاقے کا رداس ہے اور β0 کی تعریف ایک ترمیم شدہ ینگ کی مساوات سے کی گئی ہے:، یہ سطح (σs) اور مائع ٹھوس انٹرفیس (σls) تناؤ کے ساتھ ساتھ ایک اضافی لائن تناؤ (τ) پر منحصر ہے جو اس وقت اثر میں آتا ہے جب بوند کا ابتدائی رداس چھوٹا (نانوسائزڈ) ہوتا ہے۔ جیسے جیسے نینو وائر بڑھنے لگتا ہے، اس کی اونچائی میں ڈی ایچ کی مقدار میں اضافہ ہوتا ہے اور رابطے کے علاقے کا رداس ڈی آر کی مقدار میں کم ہوتا ہے (شکل 4 دیکھیں)۔ جیسے جیسے ترقی جاری رہتی ہے، نانووائر کی بنیاد پر جھکاؤ کا زاویہ (α، وہسکر نمو سے پہلے صفر کے طور پر مقرر کیا جاتا ہے) بڑھتا ہے، جیسا کہ β0: ہوتا ہے۔ اس لیے لکیر کا تناؤ اتپریرک کے رابطے کے علاقے کو بہت زیادہ متاثر کرتا ہے۔ اس نتیجے سے سب سے اہم نتیجہ یہ ہے کہ مختلف لائن تناؤ کے نتیجے میں ترقی کے مختلف طریقے سامنے آئیں گے۔ اگر لائن تناؤ بہت زیادہ ہے، تو نینو ہلک کی ترقی کا نتیجہ نکلے گا اور اس طرح ترقی رک جائے گی۔ نینوہسکر قطر نینووائر کا قطر جو اگایا جاتا ہے اس کا انحصار مرکب بوند کی خصوصیات پر ہوتا ہے۔ نینو سائز کے تاروں کی نشوونما کے لیے سبسٹریٹ پر نینو سائز کی بوندوں کو تیار کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ توازن کی صورتحال میں یہ ممکن نہیں ہے کیونکہ دھات کی بوند کا کم از کم رداس اس طرح دیا جاتا ہے جہاں Vl بوند کا مولر حجم ہے، σlv مائع بخارات کی سطح کی توانائی ہے، اور s بخارات کی سپرسیچوریشن کی ڈگری ہے۔ یہ مساوات بوند کے کم از کم قطر اور اس سے اگائے جانے والے کسی بھی کرسٹل کو عام حالات میں نینو میٹر کی سطح سے اوپر تک محدود کرتی ہے۔ چھوٹی بوندیں پیدا کرنے کی کئی تکنیکیں تیار کی گئی ہیں، جن میں سبسٹریٹ پر کم ڈائلیوشن میں پھیلے ہوئے مونوڈیسپرڈ نینو پارٹیکلز کا استعمال، اور سبسٹریٹ-اتپریرک مرکب کا لیزر ابلیشن شامل ہے تاکہ پلازما تشکیل پائے جو نظام کے ٹھنڈے ہونے پر اتپریرک کے اچھی طرح سے الگ کیے گئے نینو کلسٹرز کی تشکیل کی اجازت دیتا ہے۔ وسکر گروتھ کینیٹکس وی ایل ایس وسکر گروتھ کے دوران، جس شرح سے وسکر بڑھتے ہیں اس کا انحصار وسکر کے قطر پر ہوتا ہے: وسکر کا قطر جتنا بڑا ہوگا، نانووائر اتنی ہی تیزی سے محوری طور پر بڑھتا ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ دھاتی مرکب اتپریرک () کی سپرسیچوریشن نینوہسکر کی نشوونما کے لیے اہم محرک قوت ہے اور کم ہوتے ہوئے وسکر قطر کے ساتھ کم ہوتی ہے (جسے گبز-تھامسن اثر بھی کہا جاتا ہے): ایک بار پھر، نینوہسکر کی نشوونما (دھات کی بوند کی سپرسیچوریشن) کے لیے اہم محرک قوت ہے۔ مزید خاص طور پر، وانپ اور ٹھوس وسکر مرحلے میں جمع ہونے والی پرجاتیوں (اوپر کی مثال میں Si) کی کیمیائی صلاحیت کے درمیان فرق ہے۔ ۔ ہے توانائی آزاد مخصوص کی تار کی سطح اور حجم جوہری کا ایس _ آئی جبکہ ہے فرق ابتدائی والا ہونے آگے (کب) اضافہ وسکر مندرجہ بالا مساوات کی جانچ پڑتال، درحقیقت یہ ظاہر کرتی ہے کہ چھوٹے قطر (100 این ایم) وسکر کی نشوونما کے لیے چھوٹی محرک قوتوں کی نمائش کرتے ہیں جبکہ بڑے تار قطر بڑی محرک قوتوں کی نمائش کرتے ہیں۔ متعلقہ ترقی کی تکنیکیں لیزر کی مدد سے ترقی میں دھات پر مشتمل ٹھوس اہداف سے مواد کو ہٹانا شامل ہے جس میں سطح کو اعلی طاقت (~ 100 ایم جے/پلس) مختصر (10 ہرٹز) لیزر دالوں کے ساتھ تابکاری کی جاتی ہے، عام طور پر روشنی کے سپیکٹرم کے بالائے بنفشی (یو وی) خطے میں طول موج کے ساتھ۔ جب اس طرح کی لیزر پلس کو کسی ٹھوس ہدف کے ذریعے جذب کیا جاتا ہے، تو ہدف کے سطح کے علاقے سے مواد لیزر توانائی کو جذب کرتا ہے اور یا تو (a) سطح سے بخارات بن جاتا ہے یا گرم ہوتا ہے یا (b) پلازما میں تبدیل ہو جاتا ہے (لیزر ابلیشن دیکھیں)۔ یہ ذرات آسانی سے سبسٹریٹ میں منتقل ہو جاتے ہیں جہاں وہ نیوکلیٹ ہو سکتے ہیں اور نینو وائروں میں بڑھ سکتے ہیں۔ لیزر کی مدد سے ترقی کی تکنیک خاص طور پر اعلی پگھلنے والے درجہ حرارت، ملٹی کمپونینٹ یا ڈوپڈ نانووائر کے ساتھ ساتھ انتہائی اعلی کرسٹل معیار والے نانووائر کو بڑھانے کے لیے مفید ہے۔ ہدف پر لیزر پلس کے واقعے کی اعلی شدت انتہائی اعلی درجہ حرارت کے مزاحم یا الیکٹران بمبارڈمنٹ ہیٹنگ کا استعمال کرتے ہوئے مواد کو بخارات میں ڈالنے کی کوشش کیے بغیر، اعلی پگھلنے والے نقطہ کے مواد کو جمع کرنے کی اجازت دیتی ہے۔ مزید برآں، اہداف محض مواد کے مرکب یا یہاں تک کہ مائع سے بھی بنائے جا سکتے ہیں۔ آخر میں، لیزر جذب کے عمل کے دوران بننے والا پلازما چارج شدہ ذرات کے جمع ہونے کے ساتھ ساتھ ہدف کے اجزاء کے درمیان رد عمل کی سرگرمی کی رکاوٹ کو کم کرنے کے لیے ایک اتپریرک ذرائع کی اجازت دیتا ہے۔ تھرمل بخارات کچھ بہت ہی دلچسپ نانووائر مائیکرو اسٹرکچر صرف تھرمل طور پر ٹھوس مواد کو بخارات بنا کر حاصل کیے جا سکتے ہیں۔ یہ تکنیک دوہری زون ویکیوم بھٹی پر مشتمل نسبتا سادہ سیٹ اپ میں انجام دی جا سکتی ہے۔ بھٹی کے گرم سرے پر بخارات کا منبع مواد ہوتا ہے، جبکہ بخارات کے ذرات بھٹی کے ٹھنڈے سرے تک نیچے کی طرف (ایک کیریئر گیس کے ذریعے) کیریئر ہوتے ہیں جہاں وہ جذب کر سکتے ہیں، نیوکلیٹ کر سکتے ہیں، اور مطلوبہ سبسٹریٹ پر بڑھ سکتے ہیں۔ دھاتی اتپریرک مالیکیولر بیم ایپیٹیکس مالیکیولر بیم ایپیٹیکس (ایم بی ای) کا استعمال 2000 سے وی ایل ایس گروتھ میکانزم پر مبنی اعلی معیار کے سیمی کنڈکٹر تار بنانے کے لیے کیا جا رہا ہے۔ تاہم، دھات کے اتپریرک ایم بی ای میں دھات کے ذرات پیشروؤں کے درمیان تعامل کو اتپریرک نہیں کرتے بلکہ بخارات کے مرحلے کے ذرات کو جذب کرتے ہیں۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ مائع مرحلے میں داخل ہو کر بخارات کی کیمیائی صلاحیت کو بہت کم کیا جا سکتا ہے۔ ایم بی ای الٹرا ہائی ویکیوم (یو ایچ وی) کے حالات میں انجام دیا جاتا ہے جہاں ماخذ ایٹموں یا مالیکیولز کا اوسط فری پاتھ (تصادم کے درمیان فاصلہ) میٹر کی ترتیب پر ہوتا ہے۔ لہذا، بخارات والے ماخذ ایٹم (جیسے، ایک اخراج خلیے سے) سبسٹریٹ کی طرف جانے والے ذرات کی بیم کے طور پر کام کرتے ہیں۔ عمل کی ترقی کی شرح بہت سست ہے، جمع کرنے کے حالات بہت صاف ہیں، اور اس کے نتیجے میں دیگر جمع کرنے کے طریقوں کے مقابلے میں چار اعلی صلاحیتیں پیدا ہوتی ہیں: یو ایچ وی کے حالات بڑھتے ہوئے ڈھانچوں کے آکسیکرن/آلودگی کی مقدار کو کم کرتے ہیں نسبتا کم نمو درجہ حرارت نینو سائز کے ہیٹرو اسٹرکچرز کے باہمی پھیلاؤ (اختلاط) کو روکتا ہے۔ بہت پتلی فلم تجزیہ کی تکنیکوں کو ان سیٹو (ترقی کے دوران) استعمال کیا جا سکتا ہے، جیسے کہ ریفلیکشن ہائی انرجی الیکٹران ڈفریکشن (آر ایچ ای ای ڈی) سبسٹریٹ کی سطح پر مائکرو اسٹرکچر کے ساتھ ساتھ کیمیائی ساخت کی نگرانی کے لیے، آگر الیکٹران سپیکٹروسکوپی کا استعمال کرتے ہوئے۔ نانووائر ڈھانچوں جیسے "ہیش ٹیگ" کی باٹم اپ ترکیب یہ تکنیک مونو کرسٹل لائن انسب نانووائر نیٹ ورک کی باٹم اپ ترکیب ہے، جو چار کراسڈ جنکشن یا "ہیش ٹیگ" کے نیٹ ورک بناتی ہے اور الگ الگ سپر کنڈکٹنگ جزائر کی ترقی بھی کرتی ہے۔ استعمال شدہ طریقہ کار خندقوں کے ساتھ ایک سبسٹریٹ بنانے اور مائل پہلوؤں پر سونے کی بوندوں کو جمع کرنے پر مشتمل ہوتا ہے، دونوں عمل الیکٹران بیم لیتھوگرافی کے ذریعے ہوتے ہیں۔ بخارات-مائع-ٹھوس میکانزم کے ذریعے، نانووائر سونے کی بوندوں کے اوپر بڑھتے ہیں اور جیسے جیسے پہلو اور سونے کی بوندیں جھکی ہوتی ہیں، نانووائر ایک دوسرے کی طرف بڑھتے ہیں، ایک نیٹ ورک میں ضم ہوتے ہیں۔ حوالہ جات بیرونی روابط لیب لیبر ریسرچ گروپ ہوم پیج میں بڑھتے ہوئے کرسٹل-ہارورڈ یونیورسٹی نینو میٹریل کیمیائی عمل دا: نانوتر d#Fremstilling