بخشی از مقاله
چکیده:
نانوساختارهای منگنز و آهن سلنید با مورفولوژیهای گوناگون، با استفاده از یک روش هیدروترمال از واکنش نمک فلزی و SeCl4 در حضور کاهندهی هیدرازین تهیه شدند. اثر عوامل گوناگون بر روی مورفولوژی، اندازه ذرات، نوع محصول و میزان خلوص آن بررسی و در ادامه شرایط بهینهی تهیهی فلز سلنیدها تعیین گردید. روش به کار رفته، ساده و ارزان بوده و از واکنشدهنده-ها با سمیت کم وحلّال ارزان و همیشه در دسترس آب استفاده شده است. با استفاده از الگوی پراش پرتو ایکس - XRD - و تصاویر میکروسکوپ الکترونی SEM و TEM، فاز، اندازه ذرات و مورفولوژی محصولات بررسی گردید.
واژه های کلیدی: هیدروترمال، نانوساختارها، فلز سلنید، نیمهرسانا
مقدمه
در چند دههی گذشته شیمی کالکوژنهاتقریباً روی گوگردمتمرکز شده بود؛ تحقیقات در مورد ترکیبات سلنیوم در مقایسه با ترکیبات گوگرد کمتر و شیمی تلورعملاً وجود نداشت. با گذشت زمان شیمی سلنیوم و تلور به سرعت رشد کرد و ترکیبات متنوعی از آنها ساخته شدند .[1] فاکتورهایی نظیر کاربردهای متنوع، خواص مغناطیسی، الکتریکی، ترموالکتریکی و نوری و ... باعث افزایش علاقه ما در زمینهی سنتز نانوساختارهای کالکوژنید فلزات واسطه که یکی از مهمترین ترکیبات در علم مواد میباشند، گردیده است.در چند دههی گذشته استفاده از سلنیدها، تلوریدها و آرسنیدها به عنوان مهمترین نیمهرساناها، در وسایل الکترونیکی، نوری و فتوولتایی مورد توجه فراوان قرار گرفته است [2]
اخیراً. کالکوژنیدهای فلزی موضوع بسیاری از تحقیقات علمی بوده است؛ این امراحتمالاً به دلیل کاربردهای فتولومینسانس [3−5]،الکترونیکی [6]، فتوالکترونیکی [7] و نورتابی الکتروشیمیایی [8] آنها میباشد. انتخاب یک نیمهرسانا با شکاف نوار باریکمثلاً سلنیدهای فلزی به عنوان مواد جاذب نور خورشید، میتواند راه-حلی مناسب برای حل این مشکل باشد. سلنیدهای فلزی می-توانند به صورت فیلمهای باریک و یا ذرات کوانتومی برای تشکیل سلولهای خورشیدی لایه نازک [9] یا سلولهای خورشیدی حساسشده با ذرات کوانتومی [10]، ساخته شوند. برای رسیدن به یک سلول خورشیدی با بازدهی بالا [11]، استفاده از علم نانوتکنولوژی مهم است.
منگنز سلنید شامل دو ترکیب α-MnSe قهوهای با ساختارNaCl و سیاهرنگ با ساختار پیریت میباشد. تمامکالکوژنیدهای منگنز رفتار آنتیفرومغناطیسی دارند همچنان که MnSe این رفتار را داشته و دمای نیل آن K 150 میباشد. α-MnSe و MnSe2 به خاطر کاربردشان در ساخت نیمهرساناهای مغناطیسی رقیق، در علم مواد مورد توجه قرار گرفتهاند. MnSe2با گذشت زمان به α-MnSe پایدارتر از نظر ترمودینامیکی، تبدیل میگردد. فروسلیت - FeSe2 - یک نیمهرسانا مهم با شکاف نوار مستقیم یک الکترونولت میباشد که به عنوان یک مادهی نویدبخش برای سلولهای خورشیدی دوپشته و ردیاب تابشهای مرئی در نظر گرفته شده است. به علاوه FeSe2 به دلیل خواص مغناطیسی بینظیری که دارد به عنوان واحد اصلی در وسایل با حافظهی مغناطیسی کاربرد دارد.
در وقوع انتقالات فاز مغناطیسی و ساختاری سلنیدهای فلزات واسطه با تغییر دما، فشار و یا ترکیب که پیشتر اشاره شد، آلیاژهای Fe1-xSex نمونههای خیلی جالبی میباشند. آلیاژهای Fe−Se دارای دو فاز پایدار FeSe-α و FeSe2 می-باشند، علاوه بر این دو فاز ساختارهای متنوع دیگری - ساختارهای - γ که در دماهای بالاتر شکل می-گیرند، وجود دارند.در این پژوهش با استفاده از روشی ساده و ارزان نانوساختارهایی منظم و یکنواخت تهیه میگردند. وقتگیر نبودن این روش، عدم نیاز به دستگاههای خاص و گران قیمت و همچنین شرایط بهخصوص و سخت، سنتز با بازده و خلوص بالا، از مزایای پژوهش ما بوده و ما را به آن علاقهمند نموده است .نانوساختارهای کالکوژنیدی فلزات واسطه یک عرصهی خیلی بزرگ از تحقیقات را طی بیست سال اخیر به خود اختصاص دادهاند .[12]
غیرممکن است که بتوان تمام جنبههای نیمهرساناها اعم از سنتز، ساختار الکترونی، کریستالی، خواص فیزیکی- شیمیایی و کاربردهایشان را در یک پژوهش پوشش داد. در این پژوهش، نانوساختارهای نیمهرسانای سلنیدی برخی از فلزات واسطهی سری اول به روش هیدروترمال تهیه و شناسایی میشوند و در ادامه خواص نوری و مغناطیسی آنها بررسی میگردد. همچنین شرایط تهیهی این نانوساختارها با شکل، ترکیب، ساختار و میزان بلورینگی خاص مورد بررسی قرار میگیرد. بررسی خواص نوری برخی از این نانوساختارها نشان دهندهی کارآیی بالقوه آنها در ابزارهای نوری میباشد. خواص نوری و الکتریکی نیمهرساناها از نیازهای ضروری برای کاربرد صحیح آنها در وسایل اپتوالکتریک گوناگون است. این خواص به شرایط محیطی و روشهای تهیهی به کار رفته، بسیارحساس هستند. بنابراین کنترل شرایط و انتخاب روش مناسب برای تهیهی این نیمهرساناها، اهمیت بالایی دارد.
بخش تجربی
یک محلول آبی از نمک فلزی و SeCl4 با نسبت مولی 1:1 تهیه شد. با افزودن محلول آبی سورفکتانت و سپس هیدرازین به محلول بالا، محلول نهایی طی یک واکنش هیدروترمال در آون با دما و زمان موردنظر قرار داده شد. پس از گذشت دورهی زمانی موردنظر، محصول سانتریفوژ، چندین مرتبه با آب مقطر و اتانول شسته و در آون خلأ خشک گردید. در این پروژه اثر سورفکتانت بر روی انداره و مورفولوژی نانوساختارها بررسی شد. سپس شرایط بهینه برای تهیهی این نانوساختارها بهدست آمد.
نتایج و بحث
نانوساختارهای منگنز سلنید:
نانوساختارهای منگنز سلنید در حضور چهار سورفکتانت مختلف تهیه شدند. در این پروژه از PEG4000، PEG600، SDS و PVA به عنوان سورفکتانت استفاده شد. علاوه بر چهار واکنش بالا، یک واکنش دیگر نیز در غیاب سورفکتانت انجام شد.تصاویر میکروسکوپ الکترونی SEM از پنج محصول در شکل 1 آمده است. حضور سورفکتانت در یک سیستم، در کنترل اندازه و مورفولوژی محصولات نقش بهسزایی دارد. اثر سورفکتانت در بسیاری موارد ناشی از جذب انتخابی آن روی بعضی از صفحات کریستالوگرافی و کنترل سینتیکی سرعت رشد این سطوح میباشد، که در نتیجهی آن از رشد کریستالها در بعضی جهات جلوگیری میشود و رشد ترجیحی و در نهایت مورفولوژی خاصی به دست میآید.
از آنجا که بسیاری از خواص پایهای نیمهرساناها، به اندازه و شکل آنها بستگی دارد،کنترل هستهزایی و رشد نانوساختارهای نیمهرسانا، مسئلهای مهم شده با ستاره، مربوط به MnSe2 میباشد که در مقایسه با Seو حساس میباشد.هگزاگونال با بازده بسیار پایینی تولید میشود. ما این بازده پایین را به کم بودن مقدار کاهنده در محیط واکنش نسبت دادهایم، به همین منظور آزمایشهای تکمیلی صورت گرفت و در آنهامقدار کاهنده افزایش یافت.همانطور که در تصاویر SEM بالا ملاحضه میگردد، نانومیلهها در غیاب سورفکتانت و همچنین در حضور چهار سورفکتانت اشاره شده تشکیل میشوند،امّا قطر و طول این نانومیلهها متفاوت میباشد. میلههای به دست آمده در غیاب سورفکتانت بزرگتر از میلههای به دست آمده در حضور سورفکتانت میباشد.
علّت. این پدیده پوشیده شدن هستههای اوّلیهی تشکیل شدهتوسّط سورفکتانت در نمونههایتهیّه شده در حضور سورفکتانت میباشد. این امر ازتجمّع و رشد بیشتر این هستهها جلوگیری میکندامّا. در نمونهیتهیّه شده در غیاب سورفکتانت امکانتجمّع و رشد بیشتری برای میلهها فراهم می-باشد که منجر بهتهیّهی میلهها با طول و عرض بیشتر میشود.جهت شناسایی محصول و تعیین خلوص آن، الگوی XRD از تمونههایتهیّه شده در حضور سورفکتانتهای مختلف گرفته شد. الگوی پراش به دست آمده در شکل 2 نشان داده شده است. نتایج تشکیل مخلوطی از دو محصول Se هگزاگونال و MnSe2 مکعبی را نشان میدهد. در شکل 2 پیکهای مشخص در این پروژه ما با افزایش مقدار کاهندهی هیدرازین، توانستیم MnSe2 با خلوص بالاتر و موفولوژی منظمتری را به دست آوریم، به طوری که مقدار هیدرازین را به 15 میلیلیتر هم رساندیم.در ادامه اثر دما و زمان واکنش بر روی مورفولوژی، اندازه ذرات و ... بررسی گردید.در بررسیخواصّ مغناطیسی با استفاده از دستگاه VSM منحنی مغناطش بر حسب میدان به کار رفته برای نمونهی
