بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش نانوذرات اکسید روي به روشی جدید در دماهاي پخت 350، 400 و 600 درجهي سانتیگراد ساخته شد. پراش پرتو ایکس - XRD - ، میکروسکوپ الکترونی عبوري - TEM - ، طیف تبدیل فوریه مادون قرمز - FT-IR - و طیف جذبی فرابنفش- مرئی - UV-Vis - براي بررسی اثر دماي پخت بر ساختار و خواص نوري نانوذرات اکسیدروي به کار گرفته شد. اندازهي متوسط بلورکها ا که با استفاده از رابطه دیباي- شرر محاسبه شد براي نمونههاي 350، 400 و 600 درجهي سانتیگراد به ترتیب 15/4، 20/4و 33/4 نانومتر به دست آمد. نتایج طیفUV-Vis نشان میدهد که گاف انرژي با افزایش اندازهي ذرات کاهش مییابد.
مقدمه
در دهه اخیر توجه به توسعهي مواد با نانوساختارهاي مختلف از قبیل نانولولهها، نانوسیمها، نانودیوارهها و نانوکریستالها افزایش یافته است ]۴-١.[ علت اصلی این امر کاربرد این مواد در دستگاه هاي نانو مقیاس میباشد.
علاوه بر آن خواص نانومواد به علت افزایش نسبت سطح به حجم و اثرات ناشی از ورود اندازهي ذرات به محدودهي کوانتومی بهبود مییابد.
اکسید روي یکی از موادي است که بخاطر پتانسیل بالا در کاربردهاي مختلف از قبیل ساخت سلولهاي خورشیدي ]۵[، سنسورهاي گازي ]۶[، وریستورها ]٧[، جاذبهاي شیمیایی ]٨ [ و ابزارهاي نوري و الکتریکی ]٩[ بسیار مورد توجه قرار گرفته است. اکسید روي داراي ساختار ورتزایت می باشد. این ترکیب در حالت حجمی داراي گاف نواري مستقیم و پهن ev - ٣٫٣٧ - است. در مقایسه با دیگر مواد با گاف نواري پهن،دارايZnO مقاله نامه کنفرانس فیزیک ایران ۸۸۳1 انرژي پیوند اکسایتون یک بزرگ 0mev - ۶ - است که منجر به داشتن تابش اکسایتونیک مؤثرتري در دماي اتاق میشود ]١١و١٠. [ مشخص شده است که نانوکریستالها یا نانوذرات نیمهرسانا میتوانند خواص نوري عالیتري نسبت به کریستالهاي حجمی به سبب اثرات ناشی از ورود اندازهي ذره به محدودهي کوانتومی داشته باشند ]١٢. [ در دهه گذشته روشهاي متنوعی براي ساخت نانوذرات اکسید روي به کار گرفته شده است. از این قبیل میتوان همرسوبی گرمایی ]١٣[، سل-ژل ]۴١[، هیدروترمال ]۵١[ و اکسیداسیون فاز بخار ]۶١[ را نام برد. اما بیشتر این روشها نیاز به شرایط سختی از قبیل دماي بالا، فشار بالا، زمان واکنشدهی طولانی و همچنین نیاز به مواد اولیهي گران و تجهیزات پیچیده دارند، لذا این روشها براي تولید در مقیاسهاي بزرگتر با هزینه نسبتاً کم مناسب نیستند ]١٢.[
در این پژوهش، نانوذرات اکسید روي به روشی ساده و سریع ساخته شدند. این روش از روش آلیاژسازي مکانیکی الهام گرفته شده است. در روش آلیاژسازي، اصولا مواد اولیه به صورت پودر - اکسیدها، فلزات و ... - هستند و همگی در واکنش شرکت می کنند و بعد از چندین ساعت آسیاب کاري ماده با فاز موردنظر شکل میگیرد. در تحقیق حاضر در واقع از آسیاب براي ایجاد گرماي واکنش بین مواد اولیه که ترکیبات آلی هستند استفاده میشود و مدت زمان انجام فرآیند کوتاه است.در این روش فاز موردنظر در مرحله پخت تشکیل میشود. مرحله پخت در این روش تأثیر به- سزایی در نتیجه کار دارد. بدین منظور نمونهها در سه دماي ٠۵٣، ٠٠۴و ٠٠۶ درجه سانتیگراد پخت شدند و اثر دماي پخت بر روي ساختار و خواص نوري نمونهها بررسی شد. فرآیند-هاي صورت گرفته شده در این روش بسیار سادهتر ، کمهزینهتر و سریعتر نسبت به روشهاي دیگر است.
آزمایشات
براي ساخت نانوذرات ZnO از مواد اولیهي زیر استفاده شد:
الف - استات روي - - CH3COO - 2 Zn*2H2O - که پودري سفید رنگ با جرم مولی gr/mol٩۴/٢١٩M= و ساخت شرکت Merck میباشد. ب - اسید سیتریک - C6H8O7 - که پودري سفید رنگ با ۰۰۴ جرم مولی gr/mol١٣/١٩٢M= میباشد. ابتدا مواد اولیهي استات روي و اسید سیتریک با نسبت مولی ۴ به ۵ با هم مخلوط شدند و سپس مخلوط حاصل همراه با ٧ گلوله از جنس عقیق و به قطر mm١٠ داخل کاپهایی از جنس استیل ریخته شده و به مدت ٢ ساعت به وسیلهي یک آسیاب گلولهاي سیارهاي مدل FP4 و با سرعت rpm٠٠۵ آسیابکاري شد. در این مرحله گرماي حاصل از چرخش آسیاب باعث واکنش بین مواد اولیه میشود. بعد از اتمام آسیابکاري مخلوط آسیاب شده به مدت ۵١ دقیقه با هاون دستی سایش داده شد تا مخلوط همگنتر شود. در آخرین مرحله مخلوط آسیاب شده داخل کروزهاي از جنس آلومینا ریخته شد و در دماهاي ٠۵٣، ٠٠۴و ٠٠۶ درجهي سانتیگراد به مدت ٣ ساعت پخت شدند. خواص ساختاري و نوري نمونههاي به دست آمده توسط دستگاه پراش پرتو ایکس - - XRD، میکروسکوپ الکترونی عبوري - TEM - ، طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز - FT-IR - و طیف جذبی UV-visible بررسی شد.
نتایج و بحث
شکل ١ الگوي پراش پرتو ایکس نمونههاي ساخته شده در سه دماي مختلف را نشان میدهد. مقایسهي طیف XRD با کارتهاي استاندارد JCPDS نشان میدهد که، نانوذرات ZnO به دست آمده داراي ساختار ورتزایت میباشند. همچنین هیچ قله اضافی در طیفها مشاهده نمیشود که نشانگر تشکیل نانوذرات ZnO کریستالی حتی در دماي پخت نسبتاً پایین، 0c ٠۵٣ میباشد
.شکل: 1 الگوي پراش اشعهي ایکس نمونههاي ZnO پختشده در دماهاي مختلف: - S1 - ٠۵٣، - S2 - ٠٠۴و - S3 - ٠٠۶ درجه سانتیگراد.
با افزایش دماي پخت، شدت قلهها در الگوي پراش افزایش یافته و قلهها تیزتر میشوند، که نشاندهندهي افزایش اندازه متوسط بلورکها با افزایش دماي پخت استوسط.اندازهي مت بلورکها - average crystallite size - با استفاده از رابطهي دیباي- شرر محاسبه شد؛
شکل ٢ تصویر نوعی TEM مربوط به نمونه پخت شده در دماي 0 C٠۵٣ را نشان میدهد. از شکل ٢ به نظر میرسد که اندازهي ذرات درمحدودهي ۵١ نانومتر است، که در توافق با نتایج به دست آمده از الگوي XRD است - این مقایسه براي موادي که در مقیاس نانو ساخته میشوند مقایسه صحیحی است که در اغلب مقالات نیز انجام شده است 12]و. - [17 16 nm شکل: 2 تصویر TEM از نمونه ZnO پختشده در .3500c به منظور اطمینان حاصل کردن از اینکه نانوذرات اکسید رويکمترینباکیفیتی خوب و با ناخالصی به دست آمدهاند، طیف FT-IR نمونههاي ساخته شده، بررسی شد. شکل ٣ طیف FT-IR نمونه هاي ZnO را نشان میدهد.
