بخشی از مقاله
چکیده
هدف از انجام این تحقیق ساخت لایه نازک نانوساختار دی اکسید تیتانیوم آلاییده شده با وانادیوم و تعیین ضخامت آن با استفاده از روش منحنی عبور است. در این تحقیق، لایه های نازک نانوساختار دی اکسید تیتانیوم آلاییده شده با وانادیوم در غلظت های مختلف % 1-0/5-0/1 - وزنی وانادیوم - روی زیرلایهی شیشه، با استفاده از روش غوطه وری رسوب داده شد. از دستگاه طیف سنج UV-VIS-NIR برای مشخصه یابی طیف عبور لایه نازک های دی اکسید تیتانیوم آلاییده با وانادیوم استفاده شد. ضخامت آن ها توسط روش محاسباتی سوان پل و مانیفاسیر، براساس طیف عبوری آن ها اندازه گیری شد. نتایج نشان داد ضخامت لایه نازک ها تنها به تعداد و شدت پیک های طیف عبور وابسته است.
-1 مقدمه
لایه نازک های اکسید شفاف رسانا - TCO - به دلیل رسانایی بالا و عبور زیاد آن در ناحیه مرئی، نقش قابل توجهی در کاربردهای مختلف و وسایل الکترواپتیکی مانند سلول های خورشیدی، نمایشگرها، صفحات لمسی، دیودهای گسیلنده، فتوولتاییک و... دارد-4] .[1 در میان مواد TCO، ITO ها بیشترین کاربرد را به دلیل رسانایی الکتریکی بالا و عبور زیادشان در ناحیه مرئی در وسایل الکترواپتیکی دارند. اما به دلیل عرضه کم، غیر قابل دسترس بودن، گران قیمت بودن و سمی بودن مورد استفاده قرار نمی گیرند6]و.[5 لایه نازک ITO کاربرد زیادی به عنوان الکترودهای شفاف و رسانا دارد.[7]
گرچه Zno:Al - AZO - و SnO:F - FTO - می توانند جایگزینی برای ITO شوند اما نیاز TCO با توجه به تقاضای صنعتی برای وسایل الکترواپتیکی باقی می ماند.[8] مواد نیمه رسانای نانوساختار فلزی به دلیل خواص الکتریکی و اپتیکی بسیار خوبشان مورد توجه قرار گرفته اند. یکی از این مواد TiO2 است که به سبب عبور بالای آن در ناحیه مرئی و نزدیک مادون قرمز، مقاومت شیمیایی و حرارتی، قیمت کم و غیر سمی بودن در کاربردهای زیادی از جمله سلول های خورشیدی، پوشش های نوری، فیلتر های نوری، ترانزیستورها و... مورد استفاده قرار گرفته استTiO2 .[9-12] می تواند در 3 فاز کریستالی بوجود آید: روتایل، آناتاز و بروکیت. فاز آناتاز دارای موبیلیته بالایی است که در TCO ها کاربرد دارد.[13]
با توجه به انرژی پهنای باند زیاد فاز آناتاز حدود 3/2 الکترون ولت که آن را فقط در ناحیه فرابنفش فعال نوری می سازد، استفاده از آن محدود شده است.[14-16] مطالعات اخیر نشان می دهد که آلاییدن یون های فلزی با مواد شفاف مانند TiO2، لبه جذب آن را از ناحیه ماورابنفش به مرئی تغییر می دهد.[17-19] آلاییدن دی اکسید تیتانیوم با یون های خارجی یکی از استراتژی های امیدوار کننده، برای حساسیت دی اکسید تیتانیوم به نور مرئی و جداکردن الکترون ها و حفره ها است بطوریکه جدا ازهم بمانند.[20]
آلاییدن TiO2 با عناصر شفاف فلزی - Cr,V,Fe,Mn,Cu… - و غیر فلزی - B,N,F'… - برای بهبود جذب نور مرئی بسیار مورد بررسی قرار گرفته است. آلاییدن TiO2 با عناصر V و Nb یا Ta باعث افزایش حامل های بار و در نتیجه افزایش رسانایی الکتریکی مواد می شود و آلاییدن آن با وانادیوم لبه جذب را به ناحیه مرئی می برد. در نهایت فلزهای آلاینده مانند وانادیوم، سطوح انرژی را به زیر لبه نوار رسانش می برند.[20-22] در این مقاله لایه نازک های دی اکسید تیتانیوم آلاییده شده با وانادیوم با غلظت های مختلف % 1-0/5-0/1 - وزنی وانادیوم - به روش سل-ژل تهیه شده است و ضخامت آن ها با استفاده از منحنی عبور اندازه گیری می شود.
-2مواد و روش تحقیق
لایه نازک دی اکسید تیتانیوم آلاییده به وانادیوم به روش سل-ژل بر زیرلایه شیشه ای اعمال شد. برای تهیه ی سل دی اکسید تیتانیوم ، ابتدا 20 میلی لیتر تترابوتیل اورتوتیتانات %97 - TBOT - با 50 میلی لیتر اتانول %99 مخلوط شد. بعد از 30 دقیقه هم خوردن 5 میلی لیتر استیک اسید % 99/7 اضافه شد و به مدت 1 ساعت روی استیرر هم خورد. آنگاه 0/3 میلی لیتر استیل استون 99/99% و 5 میلی لیتر آب مقطر را به صورت قطره قطره به محلول اضافه کرده و در نهایت به مدت 1 ساعت هم خورد.
برای تهیه ی سل دی اکسید تیتانیوم آلاییده شده با وانادیوم بطور جداگانه مقدار مورد نظر نمک آمونیوم متاوانادات - NH4VO3 - را در 10 میلی لیتر آب مقطر حل و به سل دی اکسید تیتانیوم اضافه شد و محلول نهایی 15 دقیقه هم خورد. زیرلایه شیشه ای 40×25×1 - میلی متر - قبل از لایه نشانی با آب مقطر و اتانول شستشو داده شدند و خشک شدند. لایه نازک روی زیرلایه شیشه رسوب داده شدند و با سرعت 3 میلی متر بر ثانیه از محلول بیرون کشیده شدند.
لایه نشانی در 5 مرحله انجام شد در هر مرحله، نمونه ها پس از 16 ساعت قرار گرفتن در هوای محیط به مدت 10 دقیقه در دمای 150 درجه سانتی گراد درون آون قرار گرفت تا حلال آن بطور کامل تبخیر و خشک شود. در نهایت لایه نازک به مدت 2 ساعت در دمای 450 درجه سانتی گراد آنیل شدند. میزان عبور لایه نازک در طول موج مرئی توسط دستگاه طیف سنج UV-VIS-NIR مدل Shimadzu UV-T70 اندازه گیری شد.
-3محاسبات ریاضی
پارامترهای اپتیکی و ضخامت لایه نازک های دی اکسید تیتانیوم آلاییده شده با وانادیوم با غلظت های مختلف % 1-0/5-0/1 - وزنی وانادیوم - با داده های عبوری و با استفاده از روش سوان پل[23] 1 براساس طرح مانیفاسیر2 محاسبه شدند.
