بخشی از مقاله
چکیده
ما تاثیر انرژي پالس لیزر بر نانو ذرات اکسید روي محلول در آب مقطر را مورد بررسی قرار دادیم. نانو ذرات به روش کندوسوز لیزري - PLA - تهیه شدند که از پرتو لیزر Nd:YAG با سوئیچ Q و طول موج 1024 نانومتر با پهناي زمانی پالس 6 نانوثانیه استفاده شد. ساختار بلوري نانو ذرات اکسید روي هگزاگونال بود و با افزایش انرژي پالس لیزر توزیع اندازه ذرات کاهش یافت. نانو ذرات اکسید روي وابسته به انرژي پالس لیزر، ساختارهاي مرفولوژیکی مختلف را تشکیل دادند. باند گپ نانو ذرات اکسید روي 3/56-3/89 الکترون ولت محاسبه شد. طیف فتولومینسانس در دماي اتاق از نانوذرات اکسید روي، انتشار بنفش همراه با انتشار در باند آبی و سبز را نشان می دهد.
مقدمه
اکسید روي ZnO یک نیمه رسانا با کاربرد بسیار در اپتیک، ذخیره انرژي و زیست دارویی است.[1] اکسید روي خصوصیات بسیار خاصی از قبیل کاتالیزوري، الکتریکی، پایداري شیمیایی، ثابت دي الکتریک کم، ضد میکروبی و ضد باکتریی دارد. همچنین، اکسید روي یک ماده شیمیایی جالب و نیمه رسانايبا نوع n پایدار انرژي پیوندي اکسیتون meV - ولت - 60و باند گپ 3/37 الکترون است. روش هاي متفاوتی براي ایجاد نانو ساختارهاي اکسید روي وجود دارد. که در میان آنها روش کندوسوز روشی بسیار جالب براي تولید نانوذراتُارگانیک و ترکیبات آن که محلول در آب یا موادي دیگر است، می باشد و مزیت روش کندوسوز لیزري در این است که می توان اندازه مواد سنتز شده را بوسیله تغییرات پارامترهاي مختلف از قبیل طول موج لیزر، پالس لیزر، تغییر PH محلول، اضافه کردن مواد فعال کننده و تغییر دماي محلول کنترل نمود.
در این تحقیق، ما شکل گیري نانو ذرات اکسید روي به روش کندوسوز لیزري، و تاثیر انرژي پالس لیزر بر روي نانوساختارها، مرفولوژي، خصوصیات اپتیکی اکسید روي در دماي اتاق را بررسی نمودیم.
روش آزمایش
نانو ذرات اکسید روي به روش کندوسوز لیزري از یک ورق روي - 99/9% - Zn محلول در آب مقطر در آزمایشگاه لیزر مرکز پلاسما دانشگاه آزاد واحد علوم وتحقیقات تولید گردید. ورق فلز روي را داخل یکبِشر با 25 میلی لیتر آب مقطر قراردادیم. قبل از آزمایش، ورق روي وبِشر بوسیله الکل، استن و آب مقطر در دستگاه آلتراسونیک - حمام فرا صوت - تمیز شدند. ورق روي تحت تابش یک پالس لیزر Nd:YAG با آهنگ تکرار 10Hz و پهناي زمانی 6 نانو ثانیه به مدت 7 دقیقه قرار گرفت. قطر پرتو لیزر 2/5 میلی متر بود که بوسیله یک عدسی با یک فاصله کانونمیلی 85 متر تمرکز یافت. نانو ذرات اکسید روي با پرتو لیزر Nd:YAG با طول موج 1064 نانومتر با انرژي 0/57-1/5 ژول تولید شد. جزئیات نمونه ها در جدول 1 قراردادهنانو شده است. محلول ذرات اکسید روي قهوه اي رنگ بود و بعد از چند ساعت به محلولی بی رنگ تبدیل شد.
جدول: 1 طول موج و انرژي پالس لیزر نمونه هاي تولید شده به روش PLA
براي بررسی خصوصیات نانو ذرات تولید شده از روشهاي آنالیزي مختلفی استفاده نمودیم. ساختار کریستالی نمونه ها بوسیله پراش اشعه X با تابش =1/45Å - Cu-Kα - ، مدل STOE-XRD انجام گردید. محلول را بر روي زیرلایه هاي سیلیکون خشک کرده و سپس XRD انجام شد. همچنینبوسیله مرفولوژي آنها میکروسکوپ الکترونی پویشی LEO440i - SEM - انجام شد.
طیف جذبی محلول نانو ذرات اکسید روي بوسیله طیف سنج PG اندازه گیري شد. اندازه و توزیع نانوذرات بوسیله پراکندگی دینامیکی نور - DLS - با مدل MALVERN ZETASIZER3000HSA انجام شد. براي بررسی خصوصیات فتولومینسانس نانو ذرات در دماي اتاق، دستگاه طیف سنج Cary Eclipse که مجهز به لامپ زنون است مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج و بحث
طیف پراش اشعه X نمونه 4 در شکل 1 نشان داده شده است. طیف XRD ساختاري بلوري از نانوذرات اکسید روي را مشخص می کند. طیف هاي اصلی اکسیدروي در 63/1o ،56/7 o ، 47/6o، 36/3o ، 34/5o ،2θ=31/8o تعیین شد. طرح پراش نانوذرات نشان داد که همه نمونه ها ساختاري بلوري هگزاگنال دارند.
شکل:1پراش اشعه X نانوذرات اکسید روي تولید شده به روش کندوسوز در آب مقطر
با رابطه شرر [2] اندازه دانه هاي نانو ذرات اکسید روي تولید شده را محاسبه نمودیم که در جدول 2 نمایان است. لازم به ذکر است شدت پیک هاي نمونه 1 به دلیل غلظت کم نانوبسیاذرات، ضعیف بود.
پالس لیزر کاهش می یابد یا اندازه نانو ذرات کاهش می یابد در حالی که ثابت شبکه c تغیراتش مختلف است. تغییرات ثابت شبکهررا می توان ناشی از تغییرات فشار پلاسما روي سطح هدف در زمان تشکیل صفحات بلوري بدانیم. پلاسماي از روي، با فشار و دماي بالا در طول برهمکنش پالس لیزر با هدف جامد - ورق - Zn ایجاد می شود. سپس، پلاسما به طور آدیاباتیکی منبسط می شود.
بنابراین، با بیشتر شدن انرژي پالس لیزر، فشار پلاسما بالاتر رفته و منجر به کاهش ثابت شبکه می شود. یعنی ابتدا صفحات اکسید روي شکل گرفته و سپس صفحات به یکدیگر مرتبط شده و یک شبکه را شکل می دهند. در این هنگام افزایش انرژي پالس لیزر فشار پلاسما را افزایش خواهد داد و بنابراین با افزایش انرژي لیزر ثابت شبکه a کاهش می یابد. اما، پلاسما در یک زمان کوتاه سرد شده و c با افزایش فشار پلاسما تغییر نمی کند.
جدول: 2 اندازه دانه ها و ثابت هاي شبکه نانو ذرات اکسید روي
اندازه و توزیع سایز نانوذرات بوسیلهگیريآنالیز DLS اندازه شد. نمودار توزیع اندازه ذرات در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل:2 رسم توزیع سایز نانوذرات نمونه هاي - - aنمونه 1 ، - - bنمونه 2، - c - نمونه 3، - d - نمونه 4
اندازه ذرات تولید شده بین 30-120 نانومتر بود همانطور که در شکل 2 نیز مشاهده می شود، اندازه ذرات با افزایش انرژي پالس لیزر کاهش یافت. افزایش انرژي پالس لیزر منجر به افزایش انرژي جنبشی ذرات کندوسوز شده در پلاسماي تولید شده روي سطح هدف - ورق روي - می شود. به عبارت دیگر، ما ذراتی در دماي بالاتر داریم و احتمال چسبندگی ذرات کاهش یافته و ذراتی کوچکتر خواهیم داشت. مطابق نتایج، توزیع اندازه نانوذرات نیز با افزایش انرژي پالس لیزر کاهش یافت که خود حاصل تولید ذراتی یکنواخت و کوچکتر، در انرژي پالس بیشتر است.
شکل 3 تصاویر SEM نانوذرات اکسید روي را نشان می دهد.
مرفولوژي نانوذرات اکسید روي وابسته به انرژي پالس لیزر است.
شکل:3 تصاویر SEM نانو ذرات اکسید روي محلول در آب در مقیاس 1 میکرومتر
همانطور که می توان دید، چگالی نانوذرات در آب با افزایش انرژي پرتو لیزر افزایش می یابد. نانوذرات تولید شده با طول موج 1064 پالس لیزر ساختاري sheet-like و کروي دارند. اندازه و مقدار نانو ساختارهاي اکسید روي sheet-like با افزایش انرژي پالس لیزر کاهش می یابد. از طرفی دیگر، با افزایش انرژي پالس لیزر مقدار نانو ساختارهاي کروي در محلول افزایش می یابد. بنابراین، مرفولوژي نانوذرات به شدت وابسته به انرژي پالس لیزر در آزمایش است. با افزایش انرژي پالس لیزر بهم چسبندگی ذرات کاهش یافته و منجر به کاهش اندازه ساختارهاي -likeشدهsheet است.
طیف جذب اپتیکی نانو ذرات اکسید روي در بازه طول موج 1100-200 نانومتر با خط مرجع آب مقطر اندازه گیري شد که در شکل 4 نشان داده شده است.
