بخشی از مقاله
چکیده:
ﻻیه نازک CuO خالص و با ناخالصی قلع به روش سیﻻر روی بستر شیشهای ﻻیهنشانی شده است. ویژگیهای مورفولوژی، ساختاری، ترکیبی و اپتیکی آن با میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و طیف پراکندگی اشعه - XRD - X و طیف نمایی پراکندگی انرژی - EDS - و طیفسنجی UV – vis مورد بررسی قرار گرفته است. تصاویر تهیه شده با SEM بیانگر این نکته است که مورفولوژی سطح فیلم، با افزایش غلظت قلع در محلول رشد، تغییر شکل میدهد. الگوی XRD نشان داد که ﻻیه تهیه شده دارای ساختار مونوکلینیکی است که سرعت رشد در راستای صفحات - -111 - و - 111 - و نیز دسته صفحه - 002 - و - 200 - نسبت به سایر راستاها بیشتر است. بررسی EDS نشان میدهد که با افزایش غلظت یون قلع در محلول رشد، مقدار ناخالصی قلع در ﻻیه رشد یافته هم افزایش مییابد. طیف UV-vis نشان داد که گاف انرژی به شدت تحت تأثیر مقدار ناخالصی قلع تغییر می کند.
مقدمه
مواد نانوساختار به خاطر اثر شکل، ساختاربلوری و اندازهی آنها روی خواص متفاوتی نسبت به حالت حجیم دارند. نانوساختارهای اکسیدفلزی در قطعات الکترونیک [1] و اپتوالکترونیک از جمله در پنجرههای هوشمند، سلولهایخورشیدی، دیوهای نورگسیل و نمایشگرهای با صفحه تخت کاربردهای زیادی پیدا کردهاند .[2] محققان زیادی روی بهینهسازی خواص آنها و استفاده در مدارات نانوالکترونیک کار میکنند. در میان اکسید فلزات، یک اکسید پایدار و نیمرسانای نوع p با گاف انرژی باریک یعنی اکسیدمس به خاطر ارزانی و غیرسمی بودن در کاربردهای متفاوت مورد توجه قرار گرفته است .[3 ,1] اساس این کاربردهای اکسید مس، استفاده از ساختار فلز/ نیمهرسانا است. خواص اکسید مس به شدت به مورفولوژی آن وابسته است .[3]
این اکسید دارای سد پتانسیل سطحی کوچکی است که میتواند برای کاربردهایی مثل گسیل میدانی الکترون مفید باشد. به همین دلیل است که اکسید مس یک گسیلنده میدانی، کاتالیست خوب و پرکاربرد در سلولهای خورشیدی است .[2] یکی از راههای عمده در تنظیم خواص و مشخصههای مواد، وارد کردن ناخالصی در ساختار اولیه است. برای تهیه، کنترل اندازه و مورفولوژی نانوساختارهای اکسید مس روشهای گوناگونی مورد بررسی قرار گرفتهاند که میتوان به حرارت دادن ورقه مسی در هوا غوطهورسازی ورقهی اکسید مس در آمونیاک یا محلول NaOH رسوبگذاری یون Cu+2 یا محیطهای آبی شیمیایی نام برد .[1] ما روش سیﻻر را که یک روش ساده، کمخطر و زیستسازگار برای تهیه وتولید مواد در دمای پایین و با هزینهی کم است، برای تولید نانوساختار اکسیدمس بکار میبریم.
روش ازمایش
ابتدا بسترها در سه مرحله تمیز شد: اول تمیزکاری در محلول آبی – اسیدی به نسبت 1به 5 حجمی و بعد در استن خالص و در نهایت در آب مقطر، و همه به مدت 5 دقیقه در حمام التراسونیک انجام شدند. سپس 1/705 g از کلریدمس دو آبه را در 100ml آب مقطر حل کردیم و در دمای اتاق هم زدیم تا محلول 0/1M کلریدمس تشکیل شد. محلول را به مدت 1 ساعت همزدیم تا کلریدمس بهطور کامل حل شد. و بعد از آن در حالی که عمل همزدن ادامه داشت، محلول آمونیاک را بطور قطره چکانی به محلول اضافه کردیم تا pH محلول به 11 افزایش یابد. با افزودن مقداری آمونیاک، رسوب سبزلجنی Cu - OH - 2تشکیل شده و با افزودن مقدار بیشتر آمونیاک به محلول، رسوب Cu - OH - 2 توسط آمونیاک حل شده و کمپلکس شوایتزر تشکیل شد.. محلول به رنگ آبی سیر در می-آید. از آب دیونیزه به عنوان مایع آنیونی استفاده کردیم.
دمای دو ظرف حاوی محلول کاتیونی کلرید مس و آب دیونیزه را در یک حمام آبی قرار داده و دما را به 80 درجه رساندیم. برای ﻻیه نشانی بستر به مدت 10 ثانیه وارد محلول کرده و سپس از محلول خارج وسریعاًوارد آب مقطر کرده و مدت 10 ثانیه نگه داشته شد. این فرآیند یک چرخهی سیﻻر را تشکیل میدهد.برای تهیه ﻻیهای به ضخامت 150 تا 200نانومتر، چرخهی سیﻻر 10 بار تکرار شد. برای ﻻیههایی با 2، 4 و 6 درصد ناخالصی قلع، موﻻریتهی کلرید قلع در محلول رشد، روی 0/002، 0/004 و 0/006 تنظیم کرده و همین فرآیند انجام شد. در طول فرآیند ﻻیهنشانی دما در 80 درجه ثابت نگه داشته شد. این دما باعث تبدیل Cu - OH - 2 به CuO میشود. در نهایت بسترها به مدت یک روز در دمای اتاق خشک شدند و سپس به مدت 5 دقیقه در حمام التراسونیک قرار داده شد تا ذراتی که پیوند ضعیفی دارند، از روی ﻻیه برداشته شوند.
مورفولوژی سطح
تصاویر SEM نشان میدهند که در سطح بستر شیشهای خوشهها و بلورکهای CuO به هم متصلاند و یک ﻻیهی متصل به هم تشکیل دادهاند که برای رسانندگی الکتریکی ﻻزم است .[1]از این تصویر حالت متخلخل و بسبلوری ﻻیه مشاهده میشود. با روش سیﻻر میتوان در دمای پایین ﻻیههایی با بلورینگی باﻻ و با ابعاد باﻻ بدست آورد. با اینکه شکستهایی یا ترکهایی دیده نمیشود اما وجود حفرهها نشان از ساختار متخلخل دارد. و در بعضی نقاط ﻻیه کلوخههایی از بلورکها در روی ﻻیه تشکیل میشود. تصاویر SEM از ﻻیه نشان میدهد که بلورینگی بر سطح ﻻیه عمود است .[4] دیگر اینکه افزایش ناخالصی قلع در ﻻیه باعث افزایش ضخامت ودر عوض کاهش طول ذرات بشقابکی میشود .[5]
اندازه میانگین نانوبشقابکهای اکسید مس خالص با ضخامت حدود 50 نانومتر و طول 200 نانومتر تخمین زده شد. افزایش غلظت قلع تاثیرکامﻻًواضحی بر روی اندازه ذرات اکسیدمس می گذارد و با افزایش مقدار کمی ناخالصی اندازه ذرات نسبت به اکسیدمس خالص کاهش مییابد و با افزایش ناخالصی اندازه ذرات تشکیل دهنده ﻻیه افزایش یافته که با نتایج XRD و طیفUV – vis. در تطابق کامل است.
آنالیز ساختاری
تصاویر زیر که طیف XRD را نشان میدهند حاکی است، اکسید فلزی در غالب تکمیلی رشد کرده است. طیف XRD مربوط به اکسیدمس خالص و اکسید مس آﻻییده با قلع شبیه هم است و این یعنی اینکه Sn جانشین Cu شده است .[6] حضور قلع باعث کاهش ارتفاع پیکها شده است .[2] با توجه به رابطه دبای –شرر [6] اندازهی بلورکها را 20 nm برای اکسیدمس با ناخالصی قلع و 18 nm برای اکسید مس محلول آمونیاک یون OH- را برای تشکیل Cu - OH - 2 فراهم میکند . در نتیجه این ماده نقش مهمی هم در تشکیل Cu - OH - 2 و هم در کمپلکس کردن . در نتیجه حل کردن این رسوب دارد. در آخر اینکه حرارت باعث تبدیل Cu - OH - 2 به CuO میشود.
خواص اپتیکی
طیف عبوری یا تراگسیلی در دمای اتاق برای ﻻیههای اکسیدمس خالص و ﻻیههای آﻻیش شده با قلع در محدودهی طول موجهای بین 400 تا 1050 نانومتر در شکل 3 نشان داده
