بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق ابتدا، لایه های نازک CeO2 به روش سل ژل غوطه وری بر روی زیرلایه شیشه ای رشد داده شدند، سپس فرآیند خشک سازی لایه ها به دو روش - دومرحله ای و سه مرحله ای - ، انجام شد. در روش اول، خشک سازی در دو مرحله، ابتدا ده دقیقه در دمای اتاق و سپس ده دقیقه در دمای 100 Cو در روش دوم خشک سازی در سه مرحله،ده دقیقه در دمای اتاق ، ده دقیقه در دمای100 C و سپس ده دقیقه در دمای250 C انجام گرفت. بررسی خواص ساختاری نمونه ها نشان داد تغییر روش خشک سازی، ساختار نمونه ها را از حالت آمورف به حالت چندبلوری تغییر می دهد. بررسی خواص اپتیکی نمونه ها نشان داد که با تغییر روش خشک سازی که با افزایش ضخامت نمونه ها همراه است،میزان عبور و گاف نواری نمونه ها به طور محسوسی کاهش می یابد،در حالی که ضرایب شکست تقریبا بدون تغییر باقی می مانند.
مقدمه
CeO2، اکسید فلزی شناخته شده ای است که دارای ساختار بلوری مکعبی وجوه مرکز پر - fcc - فلئوریتی - CaF2 - با ثابت شبکه 5/411 A می باشد، که ساختار بلوری آن حتی در دماهای بالا بسیار پایدار است.لایه های نازک CeO2 دارای خواص فیزیکی قابل توجهی هستند، که از جمله این خواص می توان به گاف نواری پهن - - 3/2ev-4/17ev، ضریب شکست بالا - - 1/6-2/4 ، ثابت دی الکتریک بزرگ و همچنین شفافیت بالا در ناحیه طیف مرئی اشاره کرد. با توجه به این خواص، از لایه های نازک CeO2 می توان به عنوان لایه عایق در ساختارهای سیلیکون-عایق، کاتالیست ها، پوشش های اپتیکی، صفحات نمایش و صفحات لومینسانس در ساخت قطعات اپتیکی،الکترواپتیکی،میکروالکترونیکی و اپتوالکترونیکی استفاده نمود
سنتز لایه های نازک اکسید سریم با روش های مختلفی نظیر تبخیر حرارتی، کندوپاش، انباشت بخارشیمیایی، تبخیر باریکه الکترونی، تجزیه گرمایی افشانه ای و سل ژل انجام می شود.[8]در میان این روش ها، روش سل ژل به دلیل نسبتا کم، سادگی انجام فرآیندهای مربوطه و همچنین امکان سنتز نمونه در دمای اتاق، ،به طور گسترده تر، برای تهیه لایه های نازک مورد توجه می باشد.
در این مقاله اثر فرآیند خشک سازی بر روی خواص اپتیکی و ساختاری، لایه های نازک CeO2 رشدیافته به روش سل ژل غوطه وری مورد بررسی قرار گرفته است. در این کار به منظور بررسی خواص ساختاری نمونه ها از یک دستگاه پراش سنج پرتو X، - XRD - مدل B8-Advance Bruker Axs با خط تابش CuK با طول موج 1/5406 A، و برای بررسی خواص اپتیکی آنها از یک دستگاه طیف سنج UV-vis، مدل shimadzo- 160 UV- استفاده شد.
روش انجام آزمایش
سل CeO2 با حل کردن Ce - NO3 - 3.6H2O در حلال -2 متوکسی اتانول و اضافه کردن اسید سیتریک به عنوان عامل کمپلکس ساز با نسبت مولی 2 به نیترات سریم و همچنین حل مقداری پلی اتیلن گلیکول در این محلول به دست آمد. تمامی واکنش ها در دمای اتاق انجام شدند. سپس از این سل با طول عمر دو روز برای تهیه لایه های نازک CeO2 بر روی زیرلایه های شیشه ای استفاده گردید. لایه نشانی با روش غوطه وری و با سرعت 50 میلی متر در دقیقه انجام گرفت.سپس دو نمونه a و b به ترتیب به دو روش خشک سازی دو مرحله ای - ابتدا ده دقیقه
در دمای اتاق و سپس ده دقیقه در دمای - 100 C و سه مرحله ای - ده دقیقه در دمای اتاق، ده دقیقه در دمای 100 Cو سپس ده دقیقه در دمای - 250 C تهیه شدند. عمل لایه نشانی در هرکدام از نمونه ها چهار بار تکرار شد. خواص ساختاری و اپتیکی این نمونه ها بررسی و با یکدیگر مقایسه شدند.
نتایج و بحث
خواص ساختاری
در شکل1، طیف پراش پرتوX نمونه ها نشان داده شده است. اندازه گیری های XRD از نمونه ها نشان دادند که لایه CeO2 خشک سازی شده به روش اول - نمونه - a آمورف بوده اما تغییر روش خشک سازی، باعث ظهور قله ضعیفی که ناشی از پراش از صفحه - 220 - ، مربوط به تشکیل ساختار فلئوریتی CeO2 است، می شود.
شکل - 1 طیف های پراش پرتوX نمونه های a و b اگرچه قله - 220 - مشاهده شده برای نمونه b ضعیف می باشد اما می توان اندازه متوسط بلورک ها را برای این نمونه با استفاده از ز رابطه شرر - 1 - تخمین زد.
که در این رابطه، D اندازه بلورک، طول موج اشعهX ، پهنای پیک پراش در نصف ارتفاع و زاویه پراش به ازای نصف بیشینه است.مقدار متوسط اندازه بلورک برای این نمونه حدود 8 نانومتر به دست آمد.
خواص اپتیکی
در شکل 2، طیف های عبور و بازتاب اندازه گیری شده نمونه ها در بازه طول موجی300nm-1100nm نشان داده شده است.نتایج این اندازه گیری ها نشان می دهند که طیف های عبور و بازتاب برای هر دو نمونه تقریبا نوسانی بوده که این می تواند حاکی از یکنواختی در فصل مشترک لایه های تهیه شده، باشد. نوسانی شدن طیف عبور به دلیل تداخل طیف بازتابی از فصل مشترک هوا- لایه نازک و لایه نازک - زیرلایه می باشد. تداخل سازنده برای فصل مشترک های کاملا صاف و یکنواخت منجر به تولید طیف نوسانی می گردد.
شدت نوسانگری برای هر دو نمونه یکسان است بنابراین می توان گفت کیفیت فصل مشترک لایه ها بدون تغییر مانده است. میانگین عبور نمونه ها در ناحیه طول موجی اندازه گیری شده حدود % 98 می باشد.میزان عبور در نمونه a بیشتر از نمونه b است. طیف های بازتاب از سطح نمونه ها در توافق با طیف عبور آنها می باشد. اما مجموع درصد عبور و بازتاب کمی بیشتر از %100 است که مربوط به خطای سیستماتیک در هنگام کالیبره کردن طیف سنج UV-vis مورد استفاده در زمان اندازه گیری طیف بازتاب نمونه ها بوده است.
شکل - 2 طیف های عبور و بازتاب برای دو نمونه a و b
با توجه به نوسانی بودن طیف های عبور، برای محاسبه ضخامت نمونه ها می توان از روش سوان- پل استفاده نمود. برای این کار ابتدا منحنی های پوش عبوری از نواحی ماکزیمم و مینیمم طیف عبور از نمونه ها رسم می شود. سپس با استفاده از روابط 2 و 3 می توان ضریب شکست - - n و ضخامت لایه ها - d - را محاسبه و تخمین زد.
در این روابط، S، TM، Tm، به ترتیب ضریب شکست زیرلایه، مقادیر ماکزیمم و مینیمم مربوط به یک نقطه روی منحنی های پوش ماکزیمم و مینیمم است.همچنین M، تعداد نوسان در بازه طول موجی بین1 و 2 ،n1 و n2 به ترتیب ضریب شکست های متناظر با 1و 2 می باشد و پارامتر با رابطه زیر تعریف می شود
برای تخمین رفتار ضرایب شکست متناظر با هر طول موج از برازش ضرایب شکست به دست آمده با استفاده از رابطه 4 با فرمول کوشی - 6 - استفاده شد.
شکل - 3منحنی ضریب شکست دو نمونه a و b بررسی رفتار ضرایب شکست نمونه ها نشان می دهد که همانطور که انتظار داریم در نزدیکی لبه جذب، تغییرات ضرایب شکست شدید بوده و سپس با دور شدن از لبه جذب به سمت انرژی های کمتر، تقریبا ثابت می شود.مقایسه مقادیر ضریب شکست نمونه ها نشان داد که مقدار ضریب شکست نمونه ها تقریبا یکسان و برابر 1/566 می باشد. همچنین مقادیر به دست آمده برای ضخامت
لایه ها نشان دادند که با تغییر روش خشک سازی ضخامت لایه از مقدار 720 nm به مقدار940nm افزایش می یابد. افزایش ضخامت نمونه b ممکن است به دلیل بلوری شدن - افزایش اندازه بلورک ها - در ساختار این نمونه باشد. مقایسه طیف عبور نمونه ها قبلا نشان داد که درصد عبور در نمونه b - باساختاربلوری - کمتر از نمونه a - باساختار آمورف - می باشد
