بخشی از مقاله
مقدمه
تکامل پیوسته علوم و فناوري نانو در سالهاي اخیـر منجـر بــه تولیــد ســاختارهاي شــبه یــک بعــدي در گســترهاي از مورفولوژيهاي متنوع و مختلف مثل نانوسیمها، نانوسـیم هـاي بـه شــکل پوســته مرکــزي، ســاختارهاي نانولولــهاي، نانوتســمههــا، ساختارهاي شاخه شاخه، نانومیلهها و نانوحلقههـا شـده اسـت. در بین موادي که نانوساختارهاي مختلف آنها تولید شـده اکسـیدهاي فلزي به طور ویژه بیشـتر مـورد توجـه بـودهانـد. نانوسـاختارهاي اکسیدي بخاطر ویژگیهاي بنیادي و کاربرد وسیعی که در سـاخت
قطعات الکترونیکی دارند، مورد توجه بسیار زیادي قرار گرفتهانـد.
از میان آنها In2O3، با داشتن شکاف نـوري حـدود 3/6eV، داراي کاربردهاي مهمـی در زمینـههـایی از قبیـل گـرمکننـده پنجـرههـا، سـلولهـاي خورشـیدي، سنسـورهاي گـازي، [1] اسـت. اخیـراً، نانوساختارهاي In2O3 بخاطر خواص نوین و کاربردهـاي مناسـبی که در زمینه حسگري گازها 3]و[2 و نانوترانزیسـتورها [4] دارنـد، توجه چشمگیري را به خود اختصاص دادهاند. علاقهمندي زیـادي در سنتز و پژوهش در زمینه نانوساختار In2O3 بـه تـازگی بوجـود آمــده اســت. نانوســاختارهاي مختلــف In2O3 بوســیله روشــهاي مختلفی بدست آمدهاند، تعـدادي از آنهـا عبارتنـد از روش CVD
101
6]و[5، لیزر- پالسی [7]، تبخیر حرارتی ایندیوم و لایهنشانی آن بر روي زیرلایه [8] و روش تبخیر پودر اکسید. [9 ]
در سالهاي گذشته، تعداد تکنیـک هـاي رشـد بـه طـور قابـل توجهی افزایش یافتهاند. ما میتوانیم این مکانیسمهاي متفاوت را به چند رده مختلف طبقهبندي کنیم. اول روش هاي همراه با کاتالیست و دوم بدون کاتالیست و سـپس مـیتـوان تفـاوتی بـین رشـد فـاز محلول و بخار قائل شد. تا زمانی که اکسیدهاي فلزي مورد توجـه هستند بهترین روش، فاز بخار اسـت. امـا تکنیـک هـاي رشـد فـاز محلول، یک فرآیند سنتزي منعطف با قیمتهاي پـایینتـر را مهیـا میکنند. مکانیسمهاي رشد متفاوتی بر اساس حضور یک کاتالیست مثل VLS (جامد- مایع - بخار)، SLS (جامد- مایع - محلول) و
بدون کاتالیست، فرآیند VS (جامد- بخار) وجود دارند.
در این مقاله ساخت نانوسیمهاي اکسید ایندیوم با استفاده از روش تبخیر حرارتی و بدون استفاده از کاتالیست در یک کوره لوله افقی با موفقیت انجام پذیرفت. مکانیسم رشد این نانوسیمها از طریق آنالیزهاي صورت گرفته مورد بحث قرار گرفت که دریافته شد، مکانیسم VS موجب رشد لبهاي نانوسیمها شده است. براي حل مشکلِ بالا بودن دماي تبخیر اکسید ایندیوم و همچنین نیاز به کورههاي با دماي بسیار بالا، این نانوسیمها در محیطی با خلأ نسبتاً پایین ساخته شدند.
استفاده از پمپ روتـاري تـا حـدود مجـاز، فشـار 10-3mbarخـلأ میشود. وقتی فشار به این حد رسید، دماي کوره تا حدود 900oC
بالا برده میشود. گاز آرگون بعنوان گاز حامـل در لولـه آلومینـا بـا مقدار شارش 25sccm وارد محفظه شد. مـدت زمـان لایـهنشـانی حـدود 2 سـاعت بـود. در نهایـت لایـهاي سـفید رنـگ بـر روي زیرلایهها نشسته بود. ویژگی ساختاري و بلوري نمونهها با استفاده از سیستم آنالیزور XRD توسـط دسـتگاه XRD سـاخت شـرکت زیمــنس مــدل λ=0/15419nm) D-500،(CuK و خصوصــیات ســطحی توســط آنــالیزور FESEM توســط دســتگاه FESEM
(FEG200) ساخت Hitachi مورد تحلیـل قـرار گرفـت. تصـویر
شماتیکی این فرآیند لایهنشانی در شکل 1 آمده است.
کار آزمایشگاهی:
در این آزمایش ماده مـورد اسـتفاده پـودر اکسـید اینـدیوم است. در این آزمایش از زیرلایههایی استفاده شد که هیچ کاتالیستی بر روي آنها نشانده نشده بود. تعدادي زیرلایه سیلیکون نوع P کـه به مدت 20 دقیقه در دستگاه سونش در محلول الکل اتـانول قـرار گرفتــه، حــدود 20 دقیقــه در محلـول آب دوبــار تقطیـر گذاشــته میشوند. در ادامه زیرلایهها در محلهـاي 20mm الـی 60mm بـا فواصل 8 میلیمتري نسبت به بوته آلومینا که ماده اصـلی رونشـانی در آن قرار دارد، گذاشته میشوند. مقدار پودر مورد استفاده حـدود 0/025gr در بوته آلومینا در مرکز لوله قرار مـیگیـرد. فرآینـد کـار لایهنشانی بدین صورت است که ابتدا محفظه داخلی لوله آلومینا با
شکل.1 کوره تبخیر حرارتی. لایهنشانی اکسید ایندیوم در حضور گاز آرگون.
آنالیز ساختاري و سطحی:
در شکل 2 تصویر FESEM نمونهها دیده میشود. در این شکل همچنانکه دیده میشود نانوسیمهایی با قطر 75nm الی nm
150 و طـولی بــیش از چنـد میکــرون وجـود دارنــد. معمــولاً در روشهاي این چنینی مکانیسم رشد بنـام VS نامیـده مـیشـود. در روش با حضور کاتالیست واضح و روشـن مـیباشـد کـه نـانوذره کاتالیستی در سر نانوساختار سوزنی بوضوح قابل رویت است. امـا در این نانوسیمها چنین چیزي وجود ندارد. نانوسیمها بعلت عـدم وجود کاتالیست در جهتی غیر کنترلی رشد کردهاند. دیده میشـود
102
که ساختارها سوزنی شدیداً از هر نقطهاي شروع به رشد کردند که این علت باعث میگردد که چنین ساختار درهم فرورفته و در هـم تنیدهاي حاصل شود. در این روش محلهاي هستهسازي بـه علـت استفاده از مکانیسم VS توسط خـود ذرات بخـار اکسـید اینـدیوم ایجاد شدند. در این شیوه نیاز به کاتالیست خـارجی نیسـت. خـود اتمهاي اکسـید اینـدیوم بـه شـکل کـاملاً جـالبی ایـن محـلهـاي هستهسازي را تأمین کرده و باعث تشکیل این ساختارها میشـوند.
در شکل 2-b بعنوان نوعی، مقیاس بـراي قطـر نانوسـیم داده شـده حدود 140nm میباشد. شکل درهمتنیـده و کـلافگونـه در ایـن روش کاملاً طبیعی به نظر میرسد.
شکل 3 تصویر آنالیز XRD صورت گرفته را نشان میدهد.
نکته جالب توجه اینجاست که، تشکیل نانوساختارهاي شدیداً بلوري در جهتی اتفاق افتاده که عمدتاً تشکیل ساختارهاي اکسید ایندیوم در این راستا ضعیف میباشد. میتوان عدم وجود کاتالیست را باعث ایجاد ساختارها در راستایی غیر کنترلی مرتبط دانست.
نانوساختارهاي ایجاد شده در این آزمایش در امتدادي بلوري شدهاند که کاملاً دلخواه و تصادفی است. با توجه به مرجع [8]
ثابت سلولی این نانوساختارهاي ایجاد شده a=1/012nm مطابق
(JCPDS No.0416-6) میباشد.
شکل -2 تصویر FESEM از نمونههاي اکسید ایندیوم. مقیاس
براي تصویر 5 a میکرون و براي تصویر b، 750 nm میباشد.
