بخشی از مقاله
مقدمه
در دهههاي اخیر نانو ساختارها به خاطر خصوصیتهاي منحصر به فرد، از جمله ساختار ویژهاي که دارند در زمینههاي اپتیک، الکترونیک، مغناطیس و شیمی توجه زیادي را به خود جلب کردهاند. در میان نانو ساختارها از جمله، نانو لولهها، نانو سیمها، نانو ذرات و نانو کرهها، نانو ذرات به این علت که خواصشان تابع اندازة آنها است بیشتر مورد توجهبینقرار گرفتهاند.[1] در این نانو ذرات TiO2 به دلیل استفادههاي فراوانی که دردارندفناوري
ـ کاربردهاي فوتوکاتالیستی، سلولهاي خورشیدي فوتوشیمیایی و ادوات اپتوالکترونیکی و کاربردهاي دیگر ـ مورد توجه و کاوش زیادي قرار گرفتهاند.[2] خواص نانو ذرات TiO2 تابعی از ساختار
بلوري، اندازة ذرات و مورفولوژي آن است و بنابراین به شدت به روش ساخت وابسته است. TiO2 در سه شکل بلوري آناتاز، روتایل و بروکایت وجود دارد.[3]
بسیاري از کاربردهاي نانو ذرات TiO2 به خواص اپتیکی آن وابسته است، هرچند استفاده مؤثر از این ماده به دلیل گاف بزرگ انرژي آن محدود شده است. گاف انرژي حالت تودهاي TiO2 در ناحیه UV قرار دارد[4] و با کاهش اندازة ماده، این گاف بزرگتر میشود.[5] بنابراین براي افزایش کارایی نانو ذرات TiO2 باید ناحیه پاسخ آن را از فرابنفش به مرئی انتقال داد. از جمله روش-هایی که میتوان توسط آن این انتقال را انجام داد، افزودن ناخالصی به TiO2 و یا ساخت آن با ترکیبات آلی و غیر آلی
۱۶
است.[4] مشخص شده است زمانی که اتمهاي کربن گرافن در کنار نانو ذرات TiO2 قرار میگیرند، مانند ناخالصی عمل کرده و موجب کاهش گاف انرژي آن میشوند[6] و با کاهش نرخ بازترکیب الکترون و حفره خاصیت فوتوکاتالیستی آن را بهبود می-بخشند.[7] از طرفی اضافه کردن نیم رساناي سولفید کادمیم موجب افزایش جذب در ناحیه مرئی و همچنین افزایش فوتو جریان TiO2 میشود.[8]
در این تحقیق پاسخ اپتیکی نانو ذرات TiO2، به علاوه تأثیر قرارگیري اکسید گرافن و نقاط کوانتومی سولفید کادمیم در کنار نانو ذرات TiO2 مورد بررسی قرار گرفته است.
روشهاي آزمایش
براي انجام این تحقیق سه نمونه ساخته شد. در هر سه نمونه الکترودهاي فلزي از جنس کروم وجود دارد. این الکترودها از فوتولیتوگرافی کروم که با روش لایه نشانی بخار فیزیکی (PVD) گرمایی بر روي شیشه پاکسازي شده به روش RCA قرار گرفته است، به دست آمده اند. نمونه اول از قرارگیري نانو ذرات اکسید تیتانیوم بر روي الکترودها به روش لایه نشانی بخار شیمیایی (CVD) تهیه شد. در روش CVD مواد اولیه TiCl4 و O2 در دماي 265 °C با هم ترکیب شده و پسنانوذراتازانجام واکنش
TiO2 بر روي الکترودها لایه نشانی میشوند.
در نمونه دوم پودر اکسید گرافیت با روش بهبود یافته هامرز تولید شد. در ابتدا 2 گرم پودر گرافیت به 46 میلیلیتر H2SO4 اضافه شد و بعد از آن یک گرم NaNO3 به مخلوط اضافه گردید و به مدت 10 دقیقه در حمام یخ هم زده شد، گرمسپس 6 KMnO4 به تدریج به مخلوط اضافه شده و از آنجایی که این واکنش گرمازا است به کمک حمام یخ دماداشتهزیر 20 °C نگه
شد. در ادامه دماي محلول به دست آمده به مدتبه 30 دقیقه کمک حمام یخ و گرمکن الکتریکی در طول فرآیند اکسید شدن در دماي ثابت 35 °C نگهداري شد. سپس 22 ml آب دو بار یونیزه((DI به آرامی اضافه و دماي محلولو تا 98 °C بالا رفت محلول 15 دقیقه در این دما قرار گرفت. واکنش با اضافه کردن 280 میلیلیتر آب DI و 20 میلیلیتر H2O2 ادامه یافت. مخلوط به
دست آمده از صافی عبور داده شد و با محلول HCl و آب DI با نسبت 1 به 10 سه مرتبه شسته شد تا ناخالصیهاي نمکی آن زدوده شود. مادة قهوهاي رنگ به دست آمده در دماي 60 °Cبه مدت 24 ساعت خشک گردید. در نهایت پودر اکسید گرافیت خاکستري رنگی به دست آمد.
براي به دست آوردن صفحات اکسید گرافن ، این پودر در آب DI به کمک همزن مغناطیسیکاملاً حل گردید و بعد به کمک حمام فراصوت صفحات اکسید گرافیت از یکدیگر جدا شدند. بعد از حدود 3 ساعت قرارگیري در حمام فراصوت، محلول براي یک روز در مکانی بی حرکت قرارداده شد تا صفحات اکسید گرافن بر روي آن قرار گیرند. سپس این صفحات به روي الکترودهاي ساخته شده انتقال داده شد؛ نانو ذرات TiO2 به روش لایه نشانی بخار شیمیایی بر روي آن لایه نشانی شده و سپس نمونه به مدت 9 ساعت تحت تابش UV قرار گرفت تا اکسید گرافن به اکسید گرافن تبدیلاحیاشده1 شود.
در نمونه سوم نقاط کوانتومی سولفید کادمیم((CdS به روش لایه نشانی حمام شیمیایی (CBD) بر روي نانو ذرات TiO2که
در نمونه اول تهیه شده بود قرار داده شد. به این ترتیب که ابتدا 3/38 گرم Cd(NO3)2. 4H2O با 25 میلیلیتر اتانول مخلوط شد و به مدت ده دقیقه درون حمام فراصوت قرار گرفت تا مخلوط یکنواختی از Cd(NO3)2 به دست آید. سپسگرم 3/02 Na2S.9H2O با 12/5 میلیلیتر متانول و 12/5 میلیلیتر آب دو بار یونیزه مخلوط شد و این مخلوط به منظور یکنواخت شدن ده دقیقه درون حمام فراصوت قرار گرفت و پس از آن Na2Sبه صورت مخلوط یکنواخت در آمد. پس از تهیه مخلوطموردهاي
نظر نمونه به مدت پنج دقیقه درون Cd(NO3)2 قرار گرفت. پس از شستشو با اتانول و خشک کردن،دروننمونه به مدت 5 دقیقه Na2S قرار داده شد. سپس با آب شسته و خشک شد. این فرآیند سه مرتبه تکرار شد تا نقاط کوانتومی CdS روي نمونه قرار گیرند.
1 Reduced Graphene Oxide (RGO)
۲۶
هر سه نمونه تحت تابش لیزر باموجتوان 80 mw و طول در جدول1 حساسیت((S، پاسخدهی (Rλ)، بازده کوانتومی
641 نانومتر قرار گرفت و نمودارهاي جریان ـ ولتاژ و جریان ـ (Q.E.) و بهرة خارجی((G این سه آشکارساز آورده شده است.
زمان سه نمونه فوق تحت تابش به دست آمد. همانطور که ملاحظه میشود حساسیت نمونه ساخته شده از TiO2
از سایر نمونهها بیشتر است. علت پاسخ دادن TiO2 به نور مرئی
بررسی نتایج با وجود اینکه گاف انرژي آن در ناحیه فرابنفش قرار دارد، انتقال
غیر مستقیم الکترونها (که در آن تکانه الکترون پایسته نمیماند) به
در شکل 1 نمودار جریان ـ ولتاژ سه نمونه نشان داده شده است.
تراز رسانش است. با ازدیاد تخلخل و افزایش تعداد اتمهاي
سطحی میزان جذب در نانوذرات افزایش می یابد.[11]
