بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله نانوبلورهای اکسیدروی آلایئده به عنصر گالیم با غلظتهای مختلف ناخالصی به روش ساده سل ژل تولید و سپس تحت تابش اشعه فرابنفش قرار گرفتند. خواص اپتیکی، ساختاری و ریختشناسی نانوذرات سنتزشده توسط مشخصهیابیهای مختلف از جمله طیف سنجی فوتولومینسانس، جذبی-عبوری، آنالیز پراش اشعه ایکس، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس ، طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه و تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی بررسی شدند.
نتایج به دست آمده نشان دادند که نانوذرات تهیه شده دارای خاصیت تابناکی در ناحیه مرئی بوده و برای کاربردهای اپتیکی و آشکارسازی مناسب میباشند. همچنین بررسی آنالیز پراش اشعه ایکس نشان داد نمونهها دارای ساختار ورتزایت اکسیدروی میباشند. همچنین حضور گالیم و اکسیدروی و پیوندهای مربوطه در ساختار توسط مشخصه یابیهای، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس و طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه تایید شدند. بررسیها نشان دادند نانوبلورهای اکسیدروی آلایئده به عنصر گالیم میتوانند گزینه مناسبی برای کاربردهای آشکارسازی ذرات هستهای، ساخت انواع ادوات اپتوالکتریکی و دیودهای گسیلنده نوری با هزینه بسیار کم و بهره مناسب باشند.
مقدمه
امروزه اکسید روی به دلیل خواص منحصربه فرد و کاربردهای متنوع در زمینه صنعت، پزشکی، ادوات اپتوالکتریکی و غیره به یکی از مواد موردعلاقه تحقیق تبدیل شده است .[1] اکسید روی یک نیم رسانای نوع n با باندگاف مستقیم و پهن 3/37 eV وخواص ویژه بوده که با آلایش عناصر مختلف مانند گالیم، میتوان تغییر کلی در خواص آن ایجاد کرد. تا کنون مطالعات زیادی بر روی این ناخالصی با روشهای متنوع و پر هزینه انجام شده است ]؛.[2 در این مقاله با روشی بسیار ساده وکم هزینه نسبت به سایر مطالعات گزارش شده، نانوذرات اکسیدروی با ناخالصی گالیم سنتز شدند و نانوذرات تولید شده خواص نشری مناسبی در ناحیه بنفش-آبی - با پهنا در نصف مقدار بیشینه بسیار کم - از خود نشان دادند. نانوذرات تهیه شده میتوانند گزینه مناسبی برای کاربردهای اپتوالکتریکی با هزینه کم و بهره مناسب باشند.
کارهای تجربی
4 گرم استات روی دو آبه مرک آلمان با درجه خلوص 99/9درصد به عنوان پیشماده نمک فلزی، در 30 میلی لیترپروپانول مطلق مرک به عنوان حلال و تری اتیل آمین مرک - به عنوان سورفکتانت - ، به مدت 30 دقیقه روی همزن مغناطیسی قرار گرفتند تا سل شفاف و پایدار 1 مولاراکسیدروی حاصل شود. سپس گالیم نیترات سیگما به عنوان آلاینده با درصدهای اتمی0/5، 1، و 2 به محلول اضافه شد و به مدت 20 دقیقه تحت همزدن قرار گرفت تا محلول های کاملا شفاف گالیم اکسیدروی به دست آید. سپس از محلولهای سنتز شده پودر تهیه گردید و برای مدت 24 ساعت در آون الکتریکی و دمای 90 درجه سانتیگراد خشک شدند و نهایتا در دمای 500 درجه سانتی گراد کلسینه و تحت تابش اشعه فرابنفش قرار گرفتند.
بررسی و تحلیل نتایج
شکل 1 طیف جذبی نانوذرات کلوئیدی اکسیدروی خالص و آلایئده به عنصر گالیم با غلظتهای مختلف آلایش را نشان میدهد. همان طور که در شکل مشخص است، با افزایش ناخالصی تا 2 درصد شدت جذب نمونه ها در محدوده280 نانومتری افزایش می یابد.دلیل این امررا میتوان به کوچک شدن گاف انرژی و بزرگ شدن ذرات نسبت داد. هر چه گاف انرژی کوچک تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می شود، کمتر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ قرمز تمایل میابند. همچنین براساس مدل براس می توان ابعاد حدود 5 نانومتر را برای نانوذرات GZO در نظر گرفت. قله جذبی در حوالی طول موج 280 نانومتر را میتوان به گاف نواری اکسیدروی و اثرمحدودیت کوانتومی نسبت داد.
اگر مادهای خواص لومینسانسی خوبی نداشته باشد نمیتواند به عنوان ماده سوسوزنی در آشکارساز به کار گرفته شود. مطابق با شکل 2 طیف PL کلویئدی GZO - در دمای اتاق با طول موج تحریک 320 نانومتر - دارای یک گسیل قوی در ناحیه فرابنفش میباشد که میتوان آنرا به انتقالات الکترونی از تراز دهندهی روی درون شبکهای به تراز پذیرندهی باند هدایت، و انرژی گاف اکسیدروی در این محدودهی طول موج نسبت داد6] و.[5 همچنین گسیلهای آبی محدوده طول موج 430-480 نانومتر را میتوان ناشی از انتقالات الکترونی روی درون شبکهای به جاهای خالی روی دانست. در شکل 3
نتایج
طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه نشان داده شده است. همانطور که در شکل 3 دیده میشود قلههایی در محدوده cm-1 600؛740 مربوط به پیوند بین Zn-O به خوبی اثبات میشود که با نتیجهی نظری - حدود - 800 cm-1تقریباً برابری میکند. قله 1089 مربوط به پیوند C-N به دلیل حضور تریاتیلآمین، محدوده 1000cm-1؛1320 مربوط به پیوند C-O و 1350 cm-1؛1370 مربوط به پیوند C=H است که به علت حضور پیشماده است.
قله 1510 cm-1 مربوط به گروه کربونیل C=O و 2453 cm-1 مربوط به پیوند O=C=O که نشان دهنده آب و دی اکسید کربن جذب شده از طریق اتمسفر هوا است. قله 2906 cm-1 نیز مربوط به ارتعاشات کششی پیوند C-H و گروه آلکیلها است. قلههای 3400 cm-1؛3600 مربوط به ارتعاشکششی O-H و گروه هیدروکسیل که در اثر استفاده از حلال پروپانول در هنگام تهیه سل است و همچنین به علت حضور استاتروی دوآبه، وجود آب را در ترکیب نشان میدهد. سایر پیوندها نیز به مربوط به ترکیبات موجود در پایدارکننده و حلال میباشند.
طیف XRD پودرهای اکسیدروی خالص و آلایئده با غلظتهای 0/5، 1 و2 درصد اتمی گالیم در شکل4 نشان داده شده است. بیشترین رشد در جهت - 101 - صورت گرفته و تمامی قلههای اصلی نمونهها کاملا منطبق بر صفحات ورتزایت اکسیدروی می- باشد - 21] - JCDS 36-1451و.[20 بهترین ساختار بلوری در نمونه 0/5 درصد ناخالصی دیده شد که میتواند به قرارگیری بهتر و حد انحلال بهینه این غلظت در ساختار مربوط باشد.
هیچ قله اضافی مربوط به فازهای اکسیدی گالیم یا حضور ساختار و فازهای جدید در نمونهها دیده نشد. با افزایش ناخالصی در طیف پراش نمونهها جابهجایی به سمت زاویههای بزرگتر دیده میشود که به دلیل قرار گیری یون گالیم در شبکه و تنش وارد شده به ساختار میباشد. اندازه بلورکها طبق فرمول دبای شرر با افزایش ناخالصی افزایش یافت 48 - ، 54، 68و 79 نانومتر بترتیب برای نمونههای اکسیدروی خالص، %0,5 ، 1%، و % 2 گالیم - . همچنین با افزایش غلظت ناخالصی گالیم میزان تنش ازGPa 1,90 تا1,35 GPa افزایش یافت.
معمولا جابهجایی به سمت زاویههای بزرگتر پراش، نشاندهنده جانشانی یون گالیم و کوچکتر بودن شعاع یونی گالیم نسبت به یون روی میباشد که ساختار تحت استرس کششی قرار گرفته است. تصویر FESEM نمونه های پودری GZO در شکل 5 نشان داده شدهاند. اندازه متوسط دانهها حدود 98 نانومتر برآورد گردید.با افزایش غلظت ناخالصی، اندازه ذرات افزایش یافت.
حضور گالیم و روی در ساختار نیز توسط آنالیز EDX در شکل 6 تایید شد.
