بخشی از مقاله
چکیده
- تولید رشته اي از نانو ذرات نقره، بوسیله روش کندگی لیزري هدف فلزي غوطه ور در آب و تنها با استفاده ي یک مرحله اي نور لیزر انجام گرفته است. دو پیک پلاسمونی در طیف جذب محلول کلوئیدي حاصل مشاهده می شود که حضور رشته اي از نانوذرات کوپل شده در راستاي مشخصی را تایید می کند. در این تحقیق فرایند تشکیل رشته ي نانو ذرات، تاثیر زمان تابش و نرخ تکرار پالس بر شکل گیري رشته ها مورد بررسی قرار گرفته است.
کلید واژه- پیک پلاسمونی ،کندگی لیزري، نانو ذرات نقره، نانو رشته کد 140.0140 - PACS
-1 مقدمه
نانوذرات فلزي، خواص اپتیکی بی مانندي را به نمایش میگذارند که از جمله آن وابستگی طیف جذب آنها به شکل وسایز نانو ذرات است. این خواص اپتیکی بوسیله تشدید پلاسمونی سطحی حاصل از ذرات بررسی می شود که در واقع پاسخ کوپل شدگی بین الکترونهاي آزاد فلز و فرکانس میدان الکترومغناطیسی است. طبق نظریه ي Mie وجود یک پیک پلاسمونی در طیف جذب، نشانه نانوذرات کروي است.[1] وقتی ذرات به صورت توده اي در می آیند، نوار جذب پهن تر شده و اندکی به سمت طول موج هاي بزرگترحرکت می کند. و اما نانو ذرات می توانند به صورت رشته اي با هم پیوند حاصل کنند که در این صورت طیف جذب این رشته ها شامل دو پیک پلاسمونی است، پیک پلاسمونی عرضی و پیک پلاسمونی طولی.[2]
این دو پیک ناشی از برهم کنش نانو ذرات درراستاي عمود و راستاي موازي با میدان الکتریکی فرودي هستند.مسلماً هنگامی که پلاریزاسیون لیزر با محور طولی رشته نانو ذرات همراستا می
شود پیک پلاسمونی سطحی بیشترین مقدار را خواهد داشت. رشته هاي نانو ذرات فلزي به عنوان ابزارهاي دو رنگ نماکاربرد دارند و مخصوصاً رشته ي نانو ذرات نقره در سیستمهاي موجبر قابل استفاده است. از این رو تلاشهاي بسیاري براي تولید شبکه خطی نانوذرات و به خصوص نانو ذرات فلزي در حال انجام است.[3] اگر چه روشهاي شیمیایی زیادي براي تهیه نانو ذرات رشته اي تاکنون
پیشنهاد شده است اما روشهاي تولید تنها منحصر به این روش نمی شود، بلکه استفاده از نور لیزر یکی از روشهایی است که بدلیل عدم حضور واکنشگر ها در محیط و کنترل سایز ذرات با تغییر کمیتهاي لیزر و محیط در چند دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
اگر چه این روش درتولید نانو ذرات کروي بسیار موفق بوده است، اما بررسی هاي کمتري براي تولید ذرات با ساختار هاي دیگر با این روش انجام شده است. گروهی در سال2003 با تاباندن نور
لیزر هارمونیک سوم یاگ بر محلول کلوئیدي نانو ذرات نقره - که با روش کندگی لیزري با طول موج 1064 نانومتر تولید[ ] اما باعث کندگی اتمها و خوشه ها و ورود آنها به شده بود - توانستند موفق به تولید نانوسیم نقره شوند 5تاکنون گزارشی مبنی بر تولید نانو ذرات نقره کوپل شده باتاباندن یک مرحله اي نور لیزر بر هدف فلزي غوطه ور در محیط مایع ارائه نشده است و تنها یک گزارش در مورد تولید نانوذرات رشته اي طلا در سال 2001 با روش فوق وجود دارد.[6] در این تحقیق با تاباندن مستقیم نور لیزر بر هدف فلزي نقره غوطه ور در آب، شبکه خطی از نانو ذرات این فلز تولید شده است.
-2 شرایط آزمایش
شکل1 طرحواره کندگی لیزري نقره در آب یونزدوده را نشان می دهد. هدف در سلولی با حجم 10 ml حاوي آب خالص دو بار یونیزه قرار داده می شود. لیزر Nd:YAG با طول موج 1064nm وانرژي 42mj/pulse وطول پالس 6nm هدف نقره با درصد خلوص 99.99% را تحت تابش قرار می دهد. نور لیزر بوسیله لنز روي هدف کانونی می شود. در این تحقیق سه حالت مختلف در نظر گرفته شده است برهم کنش نانو ذرات درراستاي عمود و راستاي موازي با لیزر
در نرخ تکرار 1Hz و زمان پرتودهی 660s لیزر
در نرخ تکرار 10Hz و زمان پرتودهی 120sلیزر
در نرخ تکرار 10Hz و زمان پرتودهی 66s
در آزمایش هاي اول و آخر تعداد پالسهاي لیزر و در آزمایش هاي دوم و سوم نرخ تکرار پالس لیزر ثایت نگه داشته شده است. طیف سنجی Uv-Vis براي بررسی تشدید پلاسمونی سطحی و میکروسکوپ الکترونی عبوري - TEM - براي بررسی سایز و مورفولوژي رشته هابه کار برده شده است.
-3 بحث و بررسی
وقتی نور لیزر به هدف فلزي برخورد می کند، پالس لیزري باعث تشکیل لایه مایع فوق داغی روي سطح هدف می شود و سه فرایند تبخیر، جوش انفجاري و پلاسماي القایی لیزري شده نهایتاًو محلول کلوئیدي نقره تشکیل می شود.[8] بهدلیل تحرك پذیري کم ذرات در محیط مایع، برخی از این ذرات کنده شده که توسط پالسهاي اولیه تولید شده اند در مسیر پالسهاي بعدي قرار می گیرند. مطالعات نشان میدهد که نور لیزر می تواند باعث خرد شدن ذرات شود و اگر جذب انرژي ذرات به اندازه کافی باشد نانو ذرات می توانند به حالت مذاب در آیند. وقتی ذرات به حالت مذاب در می آیند، می توانند با ذرات دیگر موجود در محیط پیوند حاصل کنند.
درصورتیکه ذرات از ماده متفاوتی باشد، منجر به تشکیل ساختار آلیاژي و یا پوسته – هسته شده [10] و اگر ذرات از یک جنس باشند ، ساختارهایی مثل نانورشته ها، نانوسیمها و نانومیله ها بوجود می آیند. شکل 2 نحوه تولید ساختار رشته اي نانو ذرات را نشان می دهد.اثر برخورد پالس بانانوذرات - - 2 اثر برخورد پالس به هدف تغییرمشخصات لیزر مثل طول موج، انرژي، نرخ تکرارپالس و نیز زمان نوردهی به هدف در تولید ساختار رشته اي نانو ذرات موثراست. شکلهاي زیر تصاویر TEM رشته ي نانوذرات تولید شده در سه حالت مختلف را نشان می دهد.ب
راي بررسی اثر زمان پرتودهی لیزر بر شکل گیري رشته ها دو آزمایش مختلف با شرایط یکسان که زمان پرتودهی در یکی 66 ثانیه و در آزمایش دیگر 120 ثانیه است ، ترتیب داده شده است. شکل 4 ، همزمان طیف هاي Uv-Vis دونمونه ي ذکر شده را نشان می دهد. همانطور که دیده می شود با افزایش زمان پرتودهی نوار پلاسمونی در 407nm که نشان دهنده ي غلظت نانوذرات است، قله ي بلندتري را نمایش می دهد. همچنین شدت در طول موج 295nm و انتهاي نوار که به ترتیب نشان دهنده ي پیک عرضی و طولی رشته ها می باشند، کاهش پیدا کرده است.[8]
شکل 5 نیز توزیع سایز ذرات را نشان می دهد. همانطور که انتظار میرود در زمان پرتودهی 120s میانگین سایز کوچکتري براي ذرات مشاهده می کنیم.در نرخ تکرار 10Hz با افزایش زمان پرتودهی غلظت نانوذرات افزایش و غلظت رشته ها کاهش پیدا کرده است. پیش بینی می شود این پدیده به علت خارج شدن نانوساختارها ، از فاز مایع و ذوب شدگی و خرد شدن بیشتر آنها باشد. شکل زیر تصاویر TEM این دو نمونه را نشان می دهد. نصویر 6a نانو رشته هاي تولید شده در زمان 120 ثانیه و تصویر 6b نانورشته هاي تولید شده در زمان 66s را نشان می دهند. به هم پیوستن نانوذرات به واسطه ي ذوب شدگی آنها به وضوح در شکل 6b قابل رویت است.
