آشنایی با رشته

فیزیک مهندسی

فیزیک حالت جامد به طور گسترده‌ای به مطالعه ساختار بلوری جامدات، نوسانات یون‌ها و حرکت الکترون‌های موجود در آن‌ها می‌پردازد. در ابتدای قرن بیستم در پی کشف پراش پرتوهای ایکس، بررسی حالت جامد به عنوان گسترشی از فیزیک اتمی آغاز شد. در حال حاضر، خواص مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی، اپتیکی و حرارتی جامدات به ویژه جامدات بلوری و نانوساختارها موضوع فیزیک حالت جامد را تشکیل می‌دهند.

عبور، جذب و بازتاب امواج نور و صوت از جامدات بستگی به ساختار بلوری و ساختار اتمی و الکترونی‌شان دارد. بر این اساس آشکارسازهای امواج در محدوده‌های مختلف فرکانسی طراحی می‌شوند. برای تولید باریکه‌های الکترونی و یونی و نیز تولید اشعه ایکس و لیزرهای نیمه هادی خواص جامدات مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالت جامد بعضی از پرسش‌ها عبارتند از:

• ضریب شکست و ضریب دی الکتریک عایق‌ها به چه عواملی بستگی دارد؟
• کاهش ابعاد در حد نانومتر چه آثاری در خواص فیزیکی جامدات دارد؟
• ترکیب و روش ساخت قطعات و لایه‌های نیمه رسانا چگونه است؟
• نیمه‌رساناهای مناسب برای کاربرد در الکترونیک چه خواصی دارند؟
• آهنرباها چگونه تهیه می‌شوند و چگونه می‌توان از آن‌ها در کلیدهای خودکار استفاده کرد؟
• دیسک‌ها و نوارهای مغناطیسی بر اساس چه خواصی اطلاعات را در خود نگه می‌دارند؟
•  سختی و نرمی مکانیکی مواد چگونه به میکروساختار و روش ساخت آن‌ها ارتباط پیدا می‌کند؟
• ضریب انبساط، گرمای ویژه و گرمای نهان ذوب تابع کدام اصول هستند؟

این پرسش‌ها از جمله مسائلی هستند که فیزیک مهندسی- حالت جامد به آن پاسخ می‌دهد.

مواد رسانا، عایق، نیمه‌رسانا و ابر رسانا هر یک کاربردهای ویژه‌ای دارند. مقاومت الکتریکی جامدات در شرایط مختلف دما، فشار و میدان مغناطیسی به نانوساختار و ساختار بلوری و الکترونی‌شان ارتباط دارد. سیستم‌های الکترونیکی و کامپیوتر از اجزا و قطعاتی تشکیل می‌شوند که طراحی و تهیه‌شان در حوزه تخصصی حالت جامد است. با استفاده از پدیده‌هایی مانند اثر فوتوالکتریک، اثر هال و اثر ترموالکتریک حسگرهایی ساخته می‌شوند که برای کنترل و اندازه‌گیری شدت نور، جریان الکتریسیته، میدان مغناطیسی و درجه حرارت به کار می‌روند.

دروس گرایشی مهندسی حالت جامد مشابه رشته‌های تحصیلی فیزیک و مهندسی الکترونیک است. دوره کارشناسی فیزیک مهندسی در گرایش حالت جامد شامل سه بخش است: دروس مشترک با رشته کارشناسی فیزیک، دروس مهندسی و دروس گرایشی. از جمله دروس گرایشی، نیمه رساناها، مواد مغناطیسی و ابررسانایی هستند. انتظار می‌رود علاقه‌مندان به این رشته، ایده‌هایی در طراحی، ساخت و کاربرد برخی از موارد گفته شده را داشته باشند.

پلاسما حاوی ترکیبی از یون‌های مثبت، الکترون‌ها و اتم‌های خنثی در محیط گازی است و میزان یونیدگی بستگی به دما دارد؛ اگر دما پایین باشد پلاسما تعداد قابل توجهی اتم خنثی خواهد داشت، اگر دما بالا باشد تقریبا اتم‌ها یونیده خواهند بود.
بیشتر ماده جهان به شکل پلاسما است، خورشید و همه ستارگان گوی‌های عظیمی از پلاسما هستند، حدود ۹۹ درصد کل جرم مشهود کائنات در این گوی‌های پلاسما یافت می‌شوند. فقط در سیاره‌ها، تیپ اخترها و برخی از ابرهای گاز و غبار بین ستاره‌ای، جامد، مایع و گاز وجود دارد. این اجسام فقط بخش کوچکی از کل ماده کائنات را تشکیل می‌دهند. در محیط پیرامون ما پلاسما به حالت طبیعی نادر است، به حدی که تا اواخر سده نوزدهم به عنوان یک حالت جداگانه ماده شناخته نشده بود. آذرخش‌ها، شفق شمالی و یون سپهر (یونوسفر) همه پلاسما هستند و روی زمین این‌ها تنها شکل‌هایی از پلاسما هستند که به صورت طبیعی یافت می‌شوند.
در تکنولوژی مدرن از بسیاری از شکل‌های مصنوعی پلاسما استفاده می‌شود. گاز لوله‌های فلوئورسنت و تابلوهای نئون، پلاسما است. قوس نورانی یک سیم جوش برقی و آتش اگزوز موشک نیز نمونه‌هایی از پلاسما هستند.
فیزیک پلاسما را می‌توان دنباله و نتیجه تحقیقاتی دانست که کمابیش از چند قرن گذشته به بعد در زمینه فیزیک گازها و الکتریسیته و مغناطیس انجام شده است. در اوایل قرن نوزدهم در چند آزمایشگاه در انگلستان و آلمان پیشرفت‌های سریعی در مورد فیزیک تخلیه الکتریکی به عمل آمد.  Humphry Dovy و Micheal Faraday در موسسه رویال لندن روی قوس‌های الکتریکی و لامپ‌های تخلیه الکتریکی DC در فشار پایین کار می‌کردند.

 کاربردهای صنعتی و تجاری فیزیک پلاسما عبارتند از: تولید لایه نازک (Thin Film) مثلا تولید الماس مصنوعی، لایه‌های ابررسانا، پودرهای سرامیکی، سیستم‌های نوری مواد، فیزیک سطح، کاشت یون، سخت کردن، جوش‌کاری، برش‌کاری، سوراخ‌کاری، پلاسما اسپری چشمه‌های الکترونی، یونی و نوترونی، تلویزیون و سیستم‌های نمایشگر (مانیتورها)، نساجی، پلیمر، کشاورزی، تصفیه آب، سوئیچ، رله، آنتن، قدرت، تولید برق (MHD)، پزشکی فیزیک هسته‌ای (فیوپن یا گداخت هسته‌ای جداسازی ایزوتوپی، غنی‌سازی)، رانش شناور دریایی، ژئوفیزیک، آنالیز مواد، لیزر، Beam Sources، استحصال فلزی قطعات نیمه هادی، میکرو الکترونیک، نانوتکنولوژی، تکنولوژی انتقال اطلاعات، صنایع فلزی، رایانه

پلاسما می‌تواند روی حالت‌های مختلف ماده مانند جامدات، مایعات و گازها یا ترکیبی از آن‌ها اثرات متقابل داشته باشد. الکترون‌ها و یون‌ها در دمای بالا می‌توانند موجب تجزیه، یونیزاسیون و واکنش‌های شیمیایی پلاسما با گاز خنثی شود. سطوحی که با پلاسما در تماس اند، توسط این گونه مواد مورد برهمکنش قرار می‌گیرند. انرژی آن‌ها از طریق واکنش‌های شیمیایی و فیزیکی مختلف به ماده مورد هدف منتقل می‌شود. این تغییرات در فاصله چند آنگسترومی بالای سطح تا ۱۰ میکرون بدون تغییر در خصوصیات حجمی ماده رخ می‌دهد. نوع تغییرات ایجاد شده به نوع گاز، توان الکتریکی عملیات پلاسمایی، زمان، فشار، محل قرارگیری الکترودها، طراحی راکتور پلاسما، نحوه ورود گاز و خلاء بستگی دارد.

• واژه انگلیسی لیزر در فارسی نیز به همین صورت متداول است در اصل ترکیب حروف اول کلمات این عبارت است: (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) که به معنی «تقویت نور توسط گسیل القایی تابشی» است. اتم‌ها یا مولکول‌های مواد وقتی انرژی بگیرند، برانگیخته می‌شوند و وقتی به حالت پایه اول بازگردند می‌توانند انرژی خود را به صورت یک فوتون یا واحد انرژی موج الکترومغناطیسی بتابانند. فوتون‌ها در نور لیزر خصوصیت زیر را دارند:
•  هم‌فاز منتشر می شوند.
•  در یک جهت منتشر می‌شوند و پراکندگی‌شان نسبت به نور معمولی کم است.
• با فرکانس یکسان منتشر می‌شوند.
  از سال ۱۹۶۰ تاکنون علم لیزر چه از نظر ساخت لیزرهای جدید و چه از نظر کاربرد لیزر در زمینه‌های گوناگون بیشترین پیشرفت را در بین علوم مختلف داشته است. امروزه از لیزرهای گوناگون جامد، مایع، گاز و پلاسما در طول موج‌های مختلف در پژوهشگاه‌ها، مراکز صنعتی و پزشکی استفاده می‌شود. در کشور ما نیز این تکنولوژی هر روز بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. در این راستا با توجه به نیاز کشور برای اولین بار در دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات- تهران رشته فیزیک مهندسی لیزر و اپتیک را پایه‌گذاری نموده است. هدف از ایجاد آن تربیت نیروهای متخصص و کارآمدی است که بتواند در زمینه طراحی لیزر، کار با آن، تعمیر و نگهداری سیستم‌های موجود و کاربردهای آن صاحب نظر و ورزیده باشند. مهم‌ترین کاربردهای لیزر در کشور ما به شرح زیر است:
• کاربردهای پزشکی: بیشترین کاربرد لیزر در پزشکی در زمینه جراحی است. از باریکه لیزر CO۲ به عنوان چاقوی جراحی برای برش‌های بسیار دقیق استفاده می‌شود. این برش‌ها با استفاده از میکروسکوپ هدایت می‌شوند و در مقایسه با جراحی با چاقوی معمولی خون‌ریزی را به شدت کاهش می‌دهد. همچنین پرتو لیزر برای ضدعفونی کردن، درمان‌های پوستی کاربرد دارد. در زمینه علوم وابسته به پزشکی همچون زیست‌شناسی لیزر یکی از بهترین وسایل شناسایی است. شناسایی ترکیبات DNA، مطالعه سلول‌ها و هموگلوبین خون و بسیاری موارد دیگر همگی با استفاده از پرتو لیزر انجام شدنی است.
• کاربردهای صنعتی: در کارهای صنعتی از قبیل جوش‌کاری، برش، سوراخ‌کاری، حکاکی، ترمیم سطح و آلیاژسازی، لیزر نقش اساسی ایفا می‌کند. ساخت ریز تراشه‌ها که انقلابی را در تکنولوژی کامپیوتر و تلفن همراه ایجاد کرد بدون استفاده از پرتو لیزر غیر ممکن است. دقیق‌ترین لایه نشانی‌ها با تکنیک PLD با استفاده از پالس لیزر ایجاد می‌شود. بسیاری از صنایع بزرگ کشور ما نیز مجهز به سیستم‌های لیزری عمدتا از نوع CO۲ و Nd:yag هستند.
• کاربردهای پژوهشی: لیزر به عنوان یکی از اساسی‌ترین وسائل شناسایی در آزمایشگاه‌های فیزیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. اکثر تداخل سنج‌ها و اسپکترومترها با لیزر کار می‌کنند. هم‌خط کردن وسائل اپتیکی و فاصله‌سنجی از دیگر کاربردها است. اندرکنش لیزر با مواد مختلف آزادکننده انرژی بزرگی است که از آن می‌توان برای ساختن تفنگ الکترونی و یونی استفاده کرد. همچنین این فرآیند می‌تواند منجر به واکنش‌های گداخت گرما هسته‌ای یا به عبارتی Inertial Confinement Fusion شود که منبع انرژی آینده بشر است.