بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، لایه هاي نازك FeSe به روش حمام بخار شیمیایی در دماي 50 ˚C در زمان هاي مختلف روي زیرلایه شیشه لایه نشانی شدند. اثر زمان لایه نشانی بر خواص ساختاري، نوري مورفولوژي و فوتوکاتالیستی لایه ها توسط آنالیزهاي XRD، FESEM و UV-Vis بررسی شد. گاف انرژي لایه ها در محدوده مرئی بودو لایه ها عملکرد نسبتاً خوبی در تخریب آلودگی نشان دادند.
مقدمه
افزایش جمعیت انسانی و ارتقاء معیارهاي زندگی تأثیر مستقیمی بر گسترش آلودگی زیست محیطی جهانی دارد. از اینرو، بعلت اثر سوء آلودگی ها بر محیط زیست، بهبود راهکارهاي مؤثر براي دفع این آلودگی ها از اهمیت ویژه اي برخوردار است. به منظور تغییر مواد زائد خطرناك به محصولاتی که کمتر مضر هستند، عملیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی بسیاري مورد استفاده قرار گرفته شده اند. در سال هاي اخیر، روش فوتوکاتالیستی به عنوان روشی امیدبخش، توجه بسیاري را به خود جلب کرده است. استفاده از نیمه رساناها به عنوان فوتوکاتالیست مورد توجه خاصی واقع شده است که بعلت سهولت، کم هزینه بودن، غیر سمی بودن، قابلیت باز استفاده شدن، شرایط واکنشی مناسب و استفاده کم انرژي است .[1-3] به سبب وابستگی خواص ساختاري و نوري نانوذرات نیمه رسانا به اندازه شان که نتیجه اي از اثر حبس کوانتومی الکترونها و نسبت سطح به حجم بالاي نانوذرات است، توجه گسترده اي به این گروه از مواد معطوف شده است .[4] نیمه رساناهاي نانو ساختار اکسیدهاي فلزي مختلفی همچون TiO2 و ZnO به عنوان فوتوکاتالیست مورد مطالعه قرار گرفته اند. با اینحال، این کاتالیست ها به دلیل بزرگ بودن گاف نواري انرژيصرفاً با تابش فرابنفش برانگیخته می شوند. از آنجاییکه کمتر از %4 از نور فرابنفش در طیف خورشید وجود دارد، بنابراین تحقیق براي یافتن کاتالیستی که در گستره نور مرئی فعال باشد، شایان توجه است.[5] ساخت مواد به شکل لایه نازك مورد تحقیق گسترده اي قرار گرفته است. لایه هاي نازك به دلیل دارا بودن ناحیه سطحی بزرگ، براي مطالعه مکانیسم هاي واکنشی، سیستم هاي ایده آلی می باشند .[6] براي ساخت لایه هاي نازك روش هاي لایه نشانی فیزیکی در مقایسه با روش هاي شیمیایی نسبتاً پر هزینه تر هستند که به علت ضرورت استفاده از سیستم هاي خلأ بالا و نیاز به تمیز کردن دقیق و وقت گیر بودن بعد از هر لایه نشانی می باشد. لایه نشانی به روش حمام بخار شیمیایی که به رسوب کنترل شده هم معروف می باشد، روش دقیقی است که قابلیت کنترل غلظت یون هاي واکنشی، pH محلول، زمان و دماي لایه نشانی را دارد. روش حمام بخار شیمیایی روشی مناسب براي لایه نشانی کالکوژن هاي فلزي به ویژه لایه هاي نازك سلناید فلزهاي واسطه نیمه رسانا است که به دلیل خواص جالب شان در زمینه هاي ادوات اپتوالکترونیک، حسگرها، کاتالیست ها، سلول هاي خورشیدي و غیره می باشد. در این پژوهش لایه هاي نازك سلناید آهن - FeSe - به روش حمام بخار شیمیایی تهیه شدند و مورد بررسی قرار گرفتند.
مواد و روش ها
لایه هاي نازك FeSe بر روي زیرلایه شیشه اي به روش حمام بخار شیمیایی لایه نشانی شدند. ابعاد شیشه ها 75×25×1mm3 بوده و به ترتیب با مواد تري کلرو اتیلن، الکل، استون و آب دیونیزه به مدت 10 دقیقه در حمام التراسونیک شستشو شدند. براي ساخت محلول هاي پیش ماده سلنیوم و آهن به ترتیب از سلنو سولفات سدیم و نیترات آهن استفاده شده است. ابتدا، 0/6 M سولفات سدیم - Na2SO3 - و 0/1 M سلنیوم - Se - در آب مقطر با هم مخلوط شدند وبه منظور حل شدن نسبتاً کامل سلنیوم، محلول سلنو سولفات سدیم - Na2SeSO3 - در حمام آب در دماي 80 ˚C به مدت 8 ساعت نگه داشته شد. همچنین از نیترات آهن - Fe - NO3 - 3.9H2O، محلول 0/3 Mتهیه شد. عامل مخلوط کننده نقش بسزائی در کنترل غلظت یونهاي آزاد ایفا می کند، در این پژوهش ازEDTA با غلظت 0/2 Mبه عنوان عامل مخلوط کننده استفاده شد که ماهیت اسیدي دارد و این محلول به محلول نیترات آهن افزوده شد. حمام لایه نشانی در بشري با مقادیر برابر از هر دو محلول تهیه شد و زیرلایه به صورت عمودي در آن قرار گرفت و بشر در آونی به دماي 50˚C قرار داده شد. زیرلایه ها پس از سپري شدن مدت زمان هاي 2، 4 و 6 ساعت برداشته شدند و توسط آب دیونیزه شسته شدند و در هوا خشک شدند. بدین ترتیب تأثیر زمان لایه نشانی بر لایه هاي FeSe با مشخصه هاي 2h، 4h و 6h از لحاظ خواص ساختاري، نوري و فوتوکاتالیستی مورد بررسی این پژوهش قرار گرفته شد.
بحث و نتایج
شکل - 1 - الگوي پراش پرتو ایکس - XRD - لایه هاي نازك FeSe را نشان می دهد که در زمانهایی به مدت 2، 4 و 6 ساعت لایه نشانی شده اند. همان طور که مشاهده می شود پیک بلوري در زاویه 48/3 مطابق با جهت بلورین - 200 - با افزایش زمان لایه نشانی شدیدتر شده است و همچنین در لایه - 6 - پیکی در زاویه 28/6 مطابق با جهت بلورین - 101 - دیده می شود که نشان از افزایش بلوري شدن لایه ها با گذشت زمان دارد. الگوي پراش ساختار چهاروجهی لایه ها را نشان می دهد که در تطابق خوبی با مطالعات دیگر است .[7] - JCPDS 85-0735 -
شکل:1 مقایسه الگويXRD لایه هاي نازك FeSe لایه نشانی شده به مدت 2، 4 و 6 ساعت تصویر FESEM لایه نازك FeSe در مدت زمان لایه نشانی 4 ساعت در شکل - 2 - آمده است کهدانه بندي نسبتاً یکنواخت و کروي شکل لایه با اندازه میانگین ذرات در محدوده 50 تا 100 نانومتر را نشان می دهد.
نمودار جذب لایه ها بر حسب انرژي در بازه 1 تا 4 الکترون ولت در شکل - 3 - نشان داده شده است . در بسیاري از مطالعات، براي تعیین گاف نواري اپنیکی مواد نیمه رسانا از رابطه tauc استفاده میشود که بر مبناي اندازه گیري ضریب جذب نوري است که در رابظه - 1 - آمده است:[8]
شکل:2تصویر FESEM لایه نازك FeSe لایه نشانی شده به مدت 4 ساعت
شکل:3مقایسه نمودار هاي طیف UV-Vis لایه هاي نازك FeSe
به طوریکه α ضریب جذب، hυ انرژي فوتون، Eg گاف انرژي، A ثابت مستقل از انرژي و n عددي وابسته به طبیعت گذار الکترونی - براي گذار مستقیم مجاز n برابر 1/2 است - می باشند. در روشی جدید براي تعیین گاف انرژي، به جاي استفاده از ضریب جذب که مستلزم دانستن ضخامت است - α=2.303A/d - ، از جذب شدگی - A - استفاده شده است .[9] بدین ترتیب با توجه به شکل - 3 - از شیب خطی قسمتی از منحنی در جاییکه محور انرژي قطع می شود، مقدار گاف انرژي لایه ها بدست آمده که در جدول - 1 - گزارش شده است.
جدول: 1 مقادیر گاف انرژي لایه هاي نازك FeSe
همانطور که مشاهده می شود، با افزایش زمان لایه نشانی مقادیر گاف انرژي لایه ها کاهش می یابد که به دلیل تأثیر افزایش دما بر افزایش اندازه ذرات می باشد. مقدار گاف انرژي در محدوده مرئی این امکان را فراهم می آورد که از نور مرئی براي فعالیت فوتوکاتالیستی لایه ها استفاده شود.
هنگامی که ماده فوتوکاتالیست با انرژي نوري معادل یا بزرگتر از گاف انرژي نواري اش مورد تابش قرار می گیرد، الکترون نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته می شود و حفره مثبت در نوار ظرفیت و اکترون منفی در نوار رسانش باقی می مانند. این فرآیند عمدتاً توسط خواص فیزیکی سطحی مواد نیمه رسانا تعیین می شود. حفره ها والکترون ها به سطح ماده فوتوکاتالیست مهاجرت کرده و با گونه هاي جذب شده توسط شکل گیري رادیکال هاي آزاد شروع به واکنش هاي اکسیداسیون و احیاء می کنند.[10] این روند به صورت مختصر در روابط - 2 - تا - 4 - نشان داده شده است.
ماده آلی Congo red - CR - یک آزو رنگ با عملکرد - N=N - است که اثر منفی بر محیط زیست و زندگی بیولوژیکی دارد. رفتار فوتو کاتالیستی لایه نازك FeSe با اندازه گیري نرخ تخریب محلول CR به غلظت 2×10-6 M تحت نور مرئی - لامپ LED با
