بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق لایه های نازک فریت بیسموت با جانشانی گادولونیوم بر روی زیر لایه هایی از /FTOشیشه، به روش محلول شیمیایی به طور موفقیت آمیز تهیه شد. ویژگی ساختاری و اپتیکی این لایه ها با استفاده از نتایج حاصل از اندازگیری های پراش پرتو ایکس و طیف سنج UV-Vis بررسی شد. مطالعه طیف پراش پرتو ایکس نشان می دهد که حجم سلول واحد با جانشانی گادولونیوم کاهش یافته است و ساختار لوزی رخ فریت بیسموت دچار اعوجاج شده است. گاف اپتیکی فریت بیسموت با جانشانی گادولونیوم از 2.26 به 2.28 الکترون ولت افزایش می یابد که این افزایش ناشی از اثر Burstein-Moss میباشد.
مقدمه
درحال حاضر یکی از دیدگاه های امید بخش برای موادی با ابعاد کوچک و کارایی بالا، ترکیب کردن خواص فیزیکی مختلف در یک ماده است.از این رو موادی که بتوانند دو و حتی بیشتر از سه خاصیت فیزیکی را به طور طبیعی در خود جای دهند از اهمیت ویژه ای برخوردارند.از میان مواد مختلف می توان به چند فروئیکها اشاره کرد. چند فروئیک ها موادی هستند که میتوانند بطور هم زمان دو یا هر سه خاصیت فیزیکی نظیرفروالکتریکی، - پاد - فرومغناطیسی و فرو الاستیکی را از خود نشان دهند.
در حال حاضر حضور همزمان دوخاصیت فروالکتریکی و فرومغناطیسی در مولتی فروئیک ها و همچنین کاربردهای بالقوه انها در ذخیره سازی اطلاعات، اسپینترونیک و سنسورها باعث می شود که این مواد تحت تحقیقات گسترده ای قرار بگیرند. دراین میان فریت بیسموت با فرمول شیمیایی - BFO - BiFeO3 را میتوان جزء معدود مواد چند فروئیک تک فاز دانست که در دمای محیط بطور همزمان هر دو خاصیت فرو الکتریسیته و پاد فرومغناطیدگی خود را با دمای فرو الکتریک کوری - 850 °C - و دمای نیل - 370°C - بالا حفظ می کند
این ماده را می توان از لحاظ ساختاری یک پروسکات تغییر شکل یافته از ساختار اصلی یک لوزی رخ در دمای محیط دانست
به دلیل ویژگی مغناطیسی ضعیف این ماده، در سالهای اخیر پژوهشگران شروع به تحقیقات گسترده در زمینه افزایش ویژگی مغناطیسی و همچنین بهبود ویژگی دی الکتریک آن نموده اند. علاوه بر آن اخیرا نانو ساختارهای BFO از جمله: لایه های نازک، نانولوله ها و نانو ذرات به شدت مورد بررسی قرار گرفته اند.[8] تکنیک های مختلفی برای تهیه، آلاییدن و ساخت لایه های نازک خالص و آلائیده شده BFO موجود است که می توان از روش پالس لیزری، کندوپاش، پرتو ملکولی ، حلال شیمیایی، سل- ژل، سنتز هیدروترمال و بخار شیمیایی نام برد
در بین روش های مذکور، تکنیک سل-ژل به دلیل ته نشین سازی لایه نشانی با خلوص بالا، همگن، بهای پایین و در برگیرنده طیف وسیعی از لایه ها در دماهای پایین از مزیت بالایی برخوردار می باشد. در این روش لایه های نازک از اتصال پیش ماده های شیمیایی مایع از طریق روش های لایه نشانی چرخان ، یا دیپ کوتینگ با جداسازی گرمایی تشکیل می شود
در این مطالعه ابتدا محلول فریت بیسموت خالص و فریت بیسموت با جانشانی گادولونیوم به روش سل ژل تهیه و سپس لایه نازک نانو ساختار فریت بیسموت و فریت بیسموت با جانشانی گادولونیوم بر روی زیر لایه های FTO به روش لایه نشانی چرخشی تهیه شدند. نمونه های آماده شده تحت عملیات باز پخت قرار گرفتند سپس ساختار بلوری و خواص اپتیکی این نمونه ها بررسی شدند.
روش کار
در این پروژه ما در نظر داریم یک محلول 0/3 مولار از نیترات اهن، نیترات بیسموت، نیترات گادولونیوم و 2متوکسی اتانول و استیک انی هیدرید را بدست آورده و با استفاده از لایه نشانی
چرخشی، لایه نازک Bi1-xGdxFeO3 به ازای 0/1 و x = 0/0 را بدست آوریم. برای این کار ابتدا حلال های 2متوکسی اتانول و استیک آنی هیدرید با نسبت 3 به 1 مخلوط کرده و با همزن مغناطیسی به مدت 15 دقیقه هم زده می شوند. سپس نیترات بیسموت ، نیترات گادولونیم و نیترات اهن طبق استوکیومتری به محلول اضافه شده 5 - درصد بیسموت اضافه - اجازه داده می شود
هم بخورد بعد از 2 ساعت محلول همگن و شفافی بدست میآید که ان را روی زیر لایه FTO که با اب مقطر، الکل و استون در حمام التراسونیک شسته شده است توسط دستگاه اسپین کوتینگ با سرعت 3500 دور بر دقیقه لایه نشانی می شود و بعد از هر بار لایه نشانی نمونهها در کوره خشک می شوند و در پایان نمونه ها در دمای 550 درجه سانتی گراد بازپخت می شوند. برای برسی خواص اپتیکی نمونهها، طیف عبوری آنها با استفاده از یک دستگاه طیف سنج مدل UV-Lamda25 شرکت Perkin Elmer اندازه گیری شدند. برای بررسی خواص ساختاری نمونهها از یک دستگاه پراش اشعه X مدل Bruker D8 Advance با تابش تک فام Cu-K استفاده شد.
نتایج:
الگوی پراش پرتو ایکس لایه های نازک Bi1-xGdxFeO3 به ازای 0/1 و x = 0/0 در شکل 1 مشاهده می شود. چنانچه از شکل 1 مشاهده می شود، در ترکیب به ازای x = 0/0 مقداری فاز ناخالصی مربوط به فاز Bi24Fe2O39 که با علامت - * - مشخص شده است، وجود دارد. حضور این ناخالصی به خاطر تبخیر بیشتر بیسموت نسبت به سایر عناصر شرکت کننده در حین واکنش است. با جانشانی Gd مقدار فاز ناخالصی تقریبا به صفر کاهش می یابد و ترکیب تک فاز می شود. همچنین بزرگنمایی الگوی پراش پرتو ایکس حول زاویه پراشی 2 = 32 نشان می دهد که قله های مربوط به بازتاب های - 104 - و - 110 - در یک قله ادغام شده اند که این اثر نشان دهنده اعوجاج القاء شده در ساختار لوزی رخ فریت بیسموت در اثر آلایش گادولونیوم است. همچنین در اثر این آلایش قله های پراشی مقدار کمی به سمت زوایای بزرگتر جابجا شده اند که بر اساس قانون براگ این نشان دهنده کاهش حجم سلول واحد است. این اثر می تواند ناشی از کوچکتر بودن شعاع یونی گادولونیوم 1/053نسبت به شعاع یونی بیسموت باشد . اندازه نانو بلورک ها را می توان بر اساس رابطه شرر
شکل :1 الگوی پراش پرتو ایکس زیرلایه - FTO-glass - و لایه های نازک .Bi1-xGdxFeO3
برای بررسی خواص اپتیکی نمونه ها، طیف تراگسیل آنها در بازه طول موجی 400 تا 1100 نانومتر ثبت شد. با استفاده از نمودار شکل 2 می توان اطلاعات زیادی راجع به خواص اپتیکی نظیر ضریب جذب، ضریب خاموشی، و ضریب شکست در طول موج های مختلف، خواص الکتریکی مانند ثابت دی الکتریک و اتلاف دی الکتریک و همچنین ضخامت لایه کسب کرد.
شکل :2 نمودار طیف عبوری لایه ها بر حسب طول موج برای لایه نازک Bi1-
نتایج حاصل از دستگاه طیف سنج نوری در شکل 2 نشان می دهد
جانشانی باعث افزایش درصد عبور نمونه هادر ناحیه مرئی میشود.
ضخامت لایه با استفاده از داده های طیف عبوری توسط نرم افزار پوما محاسبه گردید. مقدار متوسط ضخامت لایه ها 550 نانومتر بدست آمد. به این ترتیب ضریب جذب از رابطه 2 قابل محاسبه خواهد بود:
که در آن t ضخامت لایه نازک و ِA میزان جذب اپتیکی لایه ها است. گاف نواری مستقیم اپتیکی لایه ها با رسم شیب نمودار h - 2 - بر حسب انرژی فوتون ورودی - - h و تقاطع آن با محور افقی از رابطه 3 که به رابطه تاوک معروف است بیان میشود:
که دراین رابطه E g گاف نواری اپتیکی نمونه ها، h انرژی فوتون فرودی میباشد. نتیجه این بررسی در شکل 3 نشان داده شده است. مقادیر گاف انرژی برای این نمونه ها برای فریت بیسموت خالص و فریت بسموت جانشانی شده با گادولونیوم بترتیب 2/26 و 2/28 الکترون ولت است. به این ترتیب این نمونه ها گذار مستقیم را تایید کرده و با نمونه های تجربی ارایه شده در سایر مقالات تطابق خوبی دارد [14,13]همانطور که این مقادیر نشان میدهند با عملیات جانشانی گاف اپتیکی افزایش می یابد. این افزایش گاف مربوط به اثر Burstein-Moss که در اثر افزایش تراکم حاملهای بار روی میدهد
