بخشی از مقاله
چکیده
نانو ذرات KTiOPO4 به روش احتراقی با استفاده از سوخت اوره تولید گردیدند. محصولات در دماهای 650℃ و 700℃ تکلیس شدند. همچنین برای بررسی اثر آهنگ حرارتدهی در فرآیند تکلیس، نمونهای از نانوذرات را با آهنگ 25℃⁄ℎ حرارت دادیم. نسبت سوخت به اکسنده در تمامی نمونهها 1 در نظر گرفته شد. تحلیلهای پراش اشعهی ایکس، طیفسنجی مرئی فرابنفش، میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصهیابی محصولات تولید شده به کار گرفته شدند.
مقدمه
پتاسیم تیتانیل فسفات با فرمول شیمیایی KTiOPO4 که به اختصارKTP نامیده میشود، یک ماده غیرخطی مناسب برای استفاده درسیستمهای لیزرمیباشد که بیشترین کاربرد آن، دوبرابرکردن فرکانس نورلیزر Nd:YAG که دارای طول موج 1064 نانومتراست، می باشد. از جمله ویژگیهای برجسته KTP ، ضریب نوری غیرخطی بالا،ضریب الکترواپتیک بالا، ثابت دی الکتریک کوچک،گستره پهن زاویهای،گستره وسیع طیفی دمایی، عدمتأثیرپذیری ازمحیط وخواص مکانیکی وشیمیایی خوب میباشند. [1] در سال های اخیر تولید نانوساختارهای KTP مورد توجه بسیاری از دانشمندان قرار گرفته است.از این رو روش های گوناگونی برای تولید نانوپودر KTPبکار گرفته شده که میتوان از آن جمله به روشهایآسیاب مکانیکی[2]، احتراقی[3]، پچینی[4]، شیمیایی[5]و سل- ژل[6] اشاره کرد.
در بین این روشها، احتراق روشی موثر برای تولید مواد تکفاز، محلولهای جامد، کامپوزیتها و ترکیبات پیچیده فازاکسیدی میباشدومزیت انتخاب سوختهای متنوع را نیزدارا است.[7]سادگی انجام آزمایش، ارزان بودن تجهیزات موردنیاز،قابلیت رؤیت بودن مراحل مختلف فرآیند، سرعت بالا و کوتاه بودن زمان واکنش ، ساده بودن مراحل آماده سازیدر این روش، از جمله دلایل انتخاب ما برای تولید نانوذرات KTP در این پژوهش است. دهس و همکارانش تولید پودر KTP با اندازه دانه 0/1 میکرومتر را گزارش نمودند.[3] با توجه به اهمیت اندازه نانوذرات KTP درتولید نانو پروبها، در این مقاله تولید نانوذرات پتاسیم تیتانیل فسفات به روش احتراقی ارائه شده و تأثیر دمایتکلیس و همچنین آهنگ حرارتدهی در فرآیند تکلیسبر خواص نانوذرات، بررسی شده است. ساختار و کیفیت نانو پودر بدست آمده به وسیله پراش پرتو ایکس، طیفسنجی مرئی – فرابنفش ومیکروسکوپ الکترونی روبشیمورد بررسی قرار گرفت.
انجام آزمایش
نیترات تیتانیل، پتاسیم دی هیدروژن فسفات، آمونیوم نیترات و اوره جهت تولید نانو ذرات KTP مورد استفادهقرار گرفت. جهت تولید نیترات تیتانیل، در ابتدا از هیدرولیزTiCl4 با محلول آمونیاک، تیتانیم هیدروکسید تولید کردیم و سپس با اضافه کردن اسید نیتریک، تیتانیم هیدروکسید را حل کرده و TiO - NO3 - 2 بدست آمد. به جهت تولید نانو ذرات KTP، KH2PO4 را در آب مقطر حل نموده و به نیترات تیتانیل تهیه شده در مرحله قبل اضافه کردیم و محصول نهایی به صورت ژل در آمد. HNO3 را قطره قطره اضافه نموده تا ژل رقیق گردد. در مرحله آخر اوره و آمونیوم نیترات را اضافه کرده و در کوره از پیش گرم شده - 400 C - جهت فرآیند تولید قرار دادیم. محلول ابتدا شروع به جوشیدن کرده و کفآلود شد. چند ثانیه پس از شروع احتراق با تشکیل شعلهای نورانی، فرآیند به پایان رسید. در حین انجام واکنش مقدار نسبتاً زیادی از گازهای H2O، N2 و CO2 تشکیل و از محیط واکنش خارج شدند.تکلیس نمونه سومی را به تدریج با آهنگ 25℃⁄ℎ حرارت دادیم و در دمای 700 C تکلیس کردیم.
بحث و نتایج
طیف سنجی پراش اشعه ایکس - - XRD
شکل2 الگوهای پراش اشعه ایکس نمونههای پودرKTP تکلیس شده در دماهای 650℃، 700℃ و نیزحرارت دهی شده با آهنگ 25 ℃⁄ℎ در دمای 700℃ را نشان میدهد که توسط دستگاه پراش اشعه ایکس مدل PW3710 - با تابش . &X و فیلتر - Ni ثبت شده است.مقایسه این الگوها با دادههای موجود در جداول ASTMبرای این مواد نشان داد که تمامی نمونهها دارای ساختار اورتورومبیک میباشد. اندازه بلورکها با استفاده از فرمول زیر - دبای- شرر - تعیین گردید. محصول نهایی واکنش همانطور که در شکل 1 نشان دادهشده است به صورت کاملا متخلخل است. در این واکنش نیترات آمونیوم به عنوان اکسیدکننده و اوره به عنوان سوخت عمل نمودند. مواد حاصل را با استفاده از هاون به پودر کاملا یکنواختی تبدیل میکنیم و در کورهی که ازپیش گرم کردیم در دو دمای 650 C و 700 C به مدت 5 ساعت، تکلیس نمودیم.
همچنین برای بررسی رونددر این معادله، D اندازه دانه، λ طول موج اشعه ایکس تابشی، θ زاویه براگ، β پهنای کامل در نیمبیشینه - FWHM - میباشد. طیفها در شکل2، حضور قلههای تیز که در نمودارهای شکل 2 نشان داده شده است،بلورینگی تمامی نمونهها را تایید میکند و هیچ قلهی اضافی که مبنی برحضور ناخالصی باشد، دیده نمیشود.افزایش دمای تکلیس معمولا باید اندازهی بلورکها راافزایش دهد اما همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، اندازهی بلورکها با افزایش دمای تکلیس از 650℃به 700 ℃ تغییر چندانی نکرده است. با توجه به نزدیکبودن دو دمای تکلیس انتخاب شده، این روند منطقی به نظر میرسد. از طرفی با توجه به اینکه حضور برخی گازهاقبل از تکلیس، به چشم میخورد ایجاد آهنگ حرارتی درتکلیس در نمونهی سوم، باعث خروج آهستهی گازها می-شود که از واکنش پذیری و چسبیدن ذرات به یکدیگر جلوگیری میکند و باعث ذرات ریزتر میشود. اما در این پژوهش، ایجاد آهنگ حرارتی در یک دمای تکلیس تفاوت چندانی را در اندازهی بلورک ها ایجاد نکرده است .[8]
طیفسنجی مرئی- فرابنفش - UV-Vis -
طیف عبور اپتیکی نانوپودر KTP ، در محدوده طولموج 200 تا 1100 نانومتر به کمک دستگاه UV-Visible مدل Perkin Elmer ثبت گردید. طیف UV-Vis نمونهها در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که در جدول1 نیز بیان شده است و در شکل نیز مشاهده میشود، افزایش طول موج لبهی جذب و کاهش گاف انرژی مقدار کوچکی میباشد که با افزایش کم در اندازهی بلورکها در دمای
تکلیس از 650℃ به 700 ℃، مطابقت دارد. همچنین کاهش طول موج لبهی جذب و افزایش گاف انرژی در نمونهی سوم که با آهنگ حرارتی 25℃⁄ℎ تکلیس شدهاست نیز بر اثر کاهش جزئی اندازهی ذرات مشاهده می-شود. گاف انرژی از رابطهی زیر محاسبه میشود که ،طول موج لبهی جذب در منحنی عبور بر حسب طول موجمیباشد - محل برخورد با محور x میباشد - .همچنین میزان عبوردهی برای نمونهی 650℃ بیشتر از سایر نمونهها میباشد. همچنین در این نمونه به دلیل لبهیجذب تیزتر در مقایسه با دو نمونهی دیگر، ساختار بلوریکاملتری مشاهده میشود.[9]
