بخشی از مقاله
چکیده
در این تجقیق، لایههای نازک مزومتخلخل اکسید روی به روش سل ژل و به کمک سورفکتانت F127 تهیه شدند. اثر زمان عمردهی سل بر مورفولوژی لایههای نازک مورد بررسی قرار گرفت. طیف عبوری مرئی-فرابنفش نشان داد که لایههای نازک بدست آمده گاف انرژی حدود 3/3 eV دارند. همچنین طیف رامان نمونهها حاکی از سنتز آنها در فاز وورتزیت است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی - FESEM - نشان داد که اگر زمان عمردهی سل کم باشد 30 - دقیقه - ذرات اکسید روی فرصت کافی برای تجمع بر روی مایسلهای سورفکتانت را نداشته و در نتیجه دیواره تخلخل تشکیل نمیشود و در نهایت لایه نازکی هموار و غیر متخلخل بوجود میآید. اما زمان عمردهی 240 دقیقه کافی است تا دیواره تخلخل روی مایسلها تشکیل شود و سطح لایه نازک بدست آمده کاملا مزومتخلخل باشد. نتایج بدست آمده اطلاعات بسیار مفیدی را برای تهیه فتوکاتالیستهای ZnO که به سطح مؤثر بالا نیاز دارند فراهم میکند.
مقدمه
اکسید روی نیمهرسانایی با گاف انرژی 3/3 eV است که توجهات زیادی را به خود جلب کرده است. این ماده کاربردهای فراوانی در زمینههای مختلف مانند سنسورها، دیودهای نورتاب، سلولهای خورشیدی و بویژه کاربردهای فتوکاتالیستی دارد .[1]
ZnO در مقایسه با نیمه رسانای معروف TiO2 از هدایت الکتریکی بالاتری برخوردار است، که این امر باعث توجه بیشتری به این ماده در زمینه فتوکاتالیستی شده است .[2]
به منظور افزایش بازدهی اکسید روی در فعالیتهای فتوکاتالیستی، مطلوب است که سطح مؤثر آن افزایش یابد. به همین دلیل گزارشهای زیادی در مورد سنتز نانوساختارهای مختلف ZnO منتشر شده است، که هدف آنها افزایش نسبت سطح به حجم - A/V - بوده است. در میان نانوساختارهای مختلف، سطوح مزومتخلخل میتوانند سطح مؤثر بسیار بالایی ایجاد کنند. بعنوان مثال سطح مؤثر نانوذرات مزو متخلخل کربنی تا m2/g 2751 نیز گزارش شده است .[3] روشهای گوناگونی برای سنتز مواد مزومتخلخل وجود دارد که از ان جمله میتوان به روش استفاده از قالب سخت1 و یا استفاده از قالب نرم2 اشاره کرد .[4]
روش استفاده از قالب نرم کمهزینهتر بوده و به راحتی در آزمایشگاه قابل انجام است.
علی رغم تحقیقات زیادی که در مورد تهیه نانوساختارهای مزومتخلخل نیمه رساناهایی مانند SiO2 و TiO2 به روش استفاده از قالب نرم انجام شده است [5]، تهیه لایههای نازک مزومتخلخل اکسید روی به این روش کمتر مورد بررسی قرار گرفته است، و اثر پارامترهای مؤثر در ساختار نهایی بطور دقیق و مدون بررسی نشده است. در این پژوهش، لایههای نازک مزومتخلخل اکسید روی به روش سل ژل تهیه شده اند، که برای ایجاد مزوتخلخلها از سورفکتانت F127 استفاده شده است. تاثیر یکی از پارامترهای مهم فرآیند، یعنی زمان عمردهی سل ZnO بر ساختار نهایی لایه- های نازک بدست آمده مورد بررسی قرار گرفته است.
روشهای آزمایشی
برای تهیه لایه نازک اکسید روی مزومتخلخل از روش سل-ژل استفاده شد. ابتدا در یک ظرف درب دار و در دمای 65 °C،سورفکتانت F127 در اتانول حل شد - محلول . - 1 سپس در ظرفی جداگانه و در همان دمای 65 °C، استات روی در مخلوط آب و اتانول و اسید هیدروکریک حل شد - محلول . - 2 سپس محلول 1 بصورت قطره قطره به محلول 2 افزوده شده و سل حاصله در دمای 65 °C به مدت 90 دقیقه همزده شد تا یک سل کاملا شفاف بدست آمد. نسبت مولی Zn:HCl:water:ethanol:F127 در سل نهایی به ترتیب برابر 1:2:130:70:0.004 بود.
برای تهیه لایههای نازک از روش لایه نشانی چرخشی استفاده شد. مقداری از سل تهیه شده روی زیرلایههای شیشه - به ابعاد - 2 × 1/5 cm2 چکانده شده و سپس با سرعت 3000 rpm به مدت 20 s لایهنشانی شدند. به منظور بررسی زمان عمردهی سل بدست آمده، یک سری از نمونه ها، بعد از 30 دقیقه و سری دیگر بعد از 240 دقیقه عمردهی سل، لایهنشانی شدند. این نمونهها به ترتیب ZMT-30 و ZMT-240 نامگذاری شدند. لایه های نازک بدست آمده بعد از یک ساعت خشک شدن در شرایط اتاق، تحت هوای محیط در دمای 500 °C به مدت 1 ساعت پخت شدند تا سورفکتانت موجود در لایههای نازک حذف شده و نمونه ها کاملا کریستاله شوند. آهنگ افزایش دما در حین فرآیند پخت 1 °C/min بود. ساختارهای بدست آمده به کمک اسپکتروفوتومتری مرئی-فرابنفش، اسپکتروسکوپی رامان و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی - FESEM - مشخصه یابی شدند.
نتایج و بحثها
طیف عبوری مرئی-فرابنفش نمونههای سنتز شده در محدوده-ی طول موجی 300-1000 nm در شکل 1 الف نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده میشود، هردو سری نمونهها در محدودهی مرئی شفافیت بالایی دارند، اما نمونهی ZMT-240 میزان عبور کمتری از خود نشان میدهد. یکی از دلایل این امر میتواند بیشتر بودن پراکندگی نور در این نمونه باشد. یعنی سطح این مقاله به شرط در دسترس بودن در وبگاه www.psi.ir/?physics96 معتبر است.
لایهی اکسید روی در ZMT-240 باید ناهموارتر و همراه با تخلخل بیشتر باشد. گاف انرژی لایههای اکسید روی نیز به کمک نمودارهای تائوک3 - بدست آمده از طیف عبوری مرئی-فرابنفش - محاسبه گردید .[6] نمودارهای بدست آمده در شکل 1ب نشان داده شده است. بر اساس این نمودارها، اندازه گاف انرژی برای نمونههای ZMT-30 و ZMT-240 به ترتیب 3/31 و 3/34 الکترون ولت بدست آمده است. تفاوت اندکی که مشاهده میشود، مربوط به تخلخل بیشتر نمونه ZMT-240 و در نتیجه کمتر بودن اندازه ذرات و کریستالها در این نمونه نسبت به نمونه ZMT-30 است. که باعث افزایش اندازه گاف انرژی میشود.
شکل :1 الف - طیف عبوری مرئی-فرابنفش لایههای نازک مزومتخلخل اکسید روی. ب - نمودارهای تائوک به منظور تعیین اندازه گاف انرژی لایه های نازک اکسید روی.
برای تعیین ساختار کریستالی لایه های نازک بدست آمده از آنالیز رامان استفاده شد. طیف رامان بدست آمده از نمونه ZMT-240 در شکل 2 نشان داده شده است. در این طیف دو قله کاملا واضح در فرکانسهای 562 و 1094 cm-1مشاهده میشود. این قلهها به ترتیب مربوط به اولین مد اپتکی طولی - 1LO - و دومین مد اپتیکی طولی - 2LO - از ساختار وورتزیت ZnO هستند ,7]
.[8 نتایج طیف رامان نشان میدهد نمونه ها با موفقیت در فاز کریستالی وورتزیت کریستاله شده و نواقص شبکهای هم در ساختار ﻻیهی نازک وجود دارد.
شکل :2 طیف رامان نمونه ZMT-240
تاثیر زمان عمردهی بر مورفولوژی لایههای نازک بدست آمده با FESEM بررسی گردید. عکسهای بدست آمده از نقاط مختلف نمونهها در شکل 3 نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده میشود سطح نمونه ZMT-30 نسبت به نمونه ZMT-240 هموارتر بوده و از تخلخل کمتری برخوردار است. با افزایش زمان عمردهی از 30 دقیقه به 240 دقیقه، سطح لایهی نازک بدست آمده کاملا مزومتخلخل شده و سطح موثر آن به شدت افزایش یافته است. البته به دلیل دمای بالای پخت نمونه ها - 500 °C - ، دیواره های تخلخل در نمونهی ZMT-240 شکسته شده و ساختار بدست آمده نظم خود را از دست داده است.
فرآیندهای هیدرولیز و چگالش، دو فرآیند بسیار مهم در روش سل ژل هستند. در طی این دو فرآیند، شبکهای از پیوندهای Zn-O داخل سل ایجاد میشود، که پس از لایه نشانی و پخت لایهنازک، در نهایت کریستال اکسید روی بوجود میآید. این دو فرآیند تاثیر بسیار مهمی در ساختار نهایی لایهی نازک بدست امده از سل دارند .[9] برای ایجاد مزوتخلخلها به سل مقداری سورفکتانت هم اضافه میشود، که در اثر آن جوانههای بلوری ماده غیرآلی - ZnO - بر روی مایسلهای تشکیل شده توسط سورفکتانت قرار گرفته و سطح آن را میپوشانند. در حین عملیات پخت، مایسلها از لایه خارج شده و ماده غیرآلی که بر سطح آنها
