مقاله تولید و بررسی خواص نوری نانو ذرات CdS : Ni به روش شیمیائی مهار کردن

بخشی از مقاله

چکیده

نانو ذرات نیم رسانا به دلیل خواص نوري و الکتریکی منحصر به فرد، توجه هاي زیادي را به خود جلب کرده اند. براي کاربردهاي نوري، به بهینه سازي شدت نورتابی و نیز تغییر در طول موجی که بیشینه شدت گسیل را دارد نیازمندیم. این کار بوسیله آلائیدن ذرات با فلزات واسطه و یونهاي نادر خاکی صورت می گیرد. در این تحقیق _که براي اولین بار در ایران گزارش می شود_ بوسیله تکنیک شیمیائی مهار کردن، نانو ذرات نیم رساناي CdS آلائیده با Ni را تولید کردیم. افزایش درصد آلایش در نانو ذراتی که در شرایط یکسان تولید شدند، به تغییر در طول موج شولدر جذب نوري آنها منجر نشد.

کلید واژه- نانو ذرات نیم رسانا شض،؛سش، مهار کننده، ، طیف جذب، ًصح

مقدمه

علاقه زیاد به مطالعه تئوري و آزمایشگاهی بر روي نانوذرات نیم رسانا به این دلیل است که خواص این مواد هنگامی که از حالت حجیم به حالت چند مولکولی می رسند دچار تغییرات جدي می شوند. فنانو ذراتی که شعاع آنها از شعاع بوهر اکسیتون حالت حجیم کمتر است، به دلیل اثر حبس کوانتومی، خواص نوري تابع اندازه از خود بروز می دهند ژکوزب.تغییر در اندازه نانو ذرات CdS به تغییر در رنگ آنها منجر می شود. این ذرات به دلیل حساسیت زیاد به نور مورد مطالعه فراوان قرار گرفته اند. حسگرها و سلولهاي خورشیدي از جمله وسائلی هستند که این نانو ذرات در آنها به کار گرفته شده اندژووظب.بهینه سازي خواص نوري و الکتریکی نانو ذرات نیم رسانا بوسیله آلائیدن آنها با فلزات واسطه و نادر خاکی صورت می گیردژثب. این کار، نانو ذرات نیم رسانا را به دسته جدیدي از مواد نورتاب تبدیل کرده است. Bhargava

براي اولین بار در سال 1994 خواص جالبی از نیم رساناهاي آلائیده را گزارش کردژأب. بررسی خواص نوري نانو ذرات آلائیده از آن سال به بعد با جدیت دنبال می شود. بیشترین بررسی ها تاکنون بر روي نانو ذرات سولفیدکادمیوم و سولفید روي آلائیده با منگنز صورت پذیرفته استژحب.از میان روشهائی که براي تولید نانو ذرات نیم رسانا گزارش شده، روشهاي شیمیائی به دلیل ارزان، دقیق و قابل کنترل بودن، بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. یکی از روشهاي شیمیائی، روش مهار کردن است. اساس این روش بر مهار نانوذرات و جلوگیري از حجیم شدن آنها است. در این روش، مهار کننده - آلی یا معدنی - با ایجاد یک پوشش در اطرف ذرات از کلوخه شدن آنها ممانعت به عمل می آورد.

با افزایش نسبت غلظت مهار کننده به غلظت مواد اولیه، پوشش کاملتري در اطراف ذرات تشکیل شده و ذرات کوچکتري تولید می شوند.در این تحقیق تأثیر این پارامتر بر اندازه ذرات را هم بررسی کرده ایم.از آنالیز طیف جذب UV-VIS براي تخمین اندازه ذرات - با استفاده از رابطه معروف "براس" - و بررسی وابستگی گاف انرژي به اندازه آنها بهره بردیم. شولدر جذب نوري ذراتی که در شرایط یکسان تولید شدند با افزایش درصد آلایش، تغییري را نشان نمی دهد.تولید و مطالعه خواص نوري نانو ذرات ZnS در حالت آلائیده با منگنز، مس، آهن و نقره و نیز نانو ذرات CdSآلائیده با مس و منگنز توسط دانشجویان دیگر، در این مرکز انجام شده و یا در حال انجام استژهب.

آزمایش

نانو ذرات را در یک محیط آبی تولید می کنیم .از CdCl 2 , NiCl 2 , Na2 S به عنوان مواد اولیه و از مرکپتو اتانول M.E, C2 H5SH, RSH به عنوان مهار کننده آلی استفاده می گردد.ابتدا xوقو میلی لیتر محلول 0,01 مولار CdCl2 و xمیلی لیتر محلول 0,01 مولار NiCl2 را در بالن سه دهانه می ریزیم. وابسته به اینکه در صد آلایش چقدر باشد، x متغیراست. در این دسته از آزمایشها، نانو ذرات CdS:Ni را با آلایش %0، %1،%2، %3، %4 و %5 تولید نمودیم بنابراین x به ترتیب برابر 0، 0,5، 1، 1,5، 2 و 2,5است. غلظت مهار کننده در این دسته 0,1 مولار انتخاب شد. در حالی که بوسیله دستگاه مگنت گردان، محلول در بالن در حال تکان خوردن است، مهار کننده را به صورت قطره قطره - هر سه تا چهار ثانیه یک قطره - به محلول اضافه می نمائیم.

در این مرحله، مهار کننده، بسته هائی از یونهاي کادمیوم و نیکل را پوشش می دهد. قبلاً با برقرار کردن جریان گاز نیتروژن به داخل بالن، اکسیژن را از محیط آزمایش خارج نموده تا اثرات اکسیداسیون به حداقل برسد. در مرحله بعدي، 50 میلی لیتر از محلول0,01 مولار Na2S به صورت قطره قطره به محلول اضافه می نمائیم. این مرحله اي است که یونهاي S −2 با نفوذ به داخل بسته ها و تر کیب با یونهاي کادمیوم و نیکل، بنابر رابطه زیرنانو بلورهاي CdS:Ni را تشکیل می دهند.ذرات در محلول نهائی پس از پنج ساعت به طور کامل ته نشین می شوند. ذرات ته نشین شده را به کمک دستگاه سانتریفیوژ چندین بار با آب مقطر دو بار تقطیر شستشو می دهیم تا نمکهاي موجود، از آن جدا شوند.

اندازه گیري جذب نوري را در محدوده طول موجهاي مرئی_فرابنفش - 200 –500 nm - انجام می دهیم. در این آنالیز از نانوذرات کلوئیدي استفاده کردیم.براي XRD چند قطره از محلول غلیظ را بر روي فیلم شیشه اي ریخته، آنرا در دماي 40 درجه سانتی گراد خشک کردیم.به منظور بررسی اثر نسبت غلظت مهار کننده به غلظت مواد اولیه، تمام مراحل بالا را براي دو آزمایش دیگر تکرار نمودیم. در هر دو آزمایش، غلظت مهار کننده برابر 0,2مولار و در صد آلایش برابر %0,8 انتخاب شد با این تفاوت که در آزمایش اول غلظت مواد اولیه برابر 0,1 مولار و در آزمایش دوم غلظت مواد اولیه برابر 0,01 انتخاب شدند.

بررسی نتایج

شکل - - 1 نمودارهاي طیف جذبی نمونه هاي ساخته شده را برحسب درصد آلایش - در دسته اي که غلظت مهار کننده برابر 0,1 مولار و غلظت مواد اولیه برابر 0,01مولار بودند - نشان می دهد.آنچه که از این نمودار به وضوح دیده می شود، مساوي بودن گاف انرژي نانو ذرات CdS:Ni با درصدهاي مختلف آلایش با یکدیگر است. این انرژي با استفاده از رابطه λ Eg  hc برابر ئسوزظلظ محاسبه شد. نکته جالب دیگر اینکه نانو ذرات CdS و نانوذرات CdS:Niداراي گاف انرژي برابر هستند.با استفاده از جمله اول رابطه معروف براس،1 1 h2π2    bulk ، اینکه اندازه نانو ذرات 3.47nm تخمین زده شد.        

همانگونه که از شکل 2 واضح است نانو ذراتی که نسبت غلظت مهار کننده به غلظت مواد اولیه بزرگتري دارند طول موج شولدر جذب نوري آنها به طرف طول موجهاي کوچکتر جابجا می شود. این به این معنا است که اندازه ذرات نیز کوچکتر شده اند.نانو ذرات CdS که به روش شیمیائی مرطوب ساخته می شوند عموماً داراي ساختار مکعبی هستند.در حالی که حالت حجیم آنها به صورت هگزاگونال است. شکل - - 3 XRD ، ساختار نانو ذرات CdS:Ni را نیز مکعبی نشان می دهد.اندازه ذرات از XRD با استفاده از فرمول دباي شرر 1,43نانومتر تخمین زده شده است.

نتیجه گیري
 

جابجائی در طول موج شولدرجذب نوري نیم رساناها - نسبت به حالت حجیم - ، بیانگر موفقیت در تولید ذرات نانو اندازه به روش مهار شیمیائی مهار کردن است.نانو ذرات آلائیده شده که در شرایط مساوي تولید شدند همگی داراي گاف انرژي مساوي با حالت غیر آلائیده خود بودند.رنگ مواد نانو ساختار آلائیده و غیر آلائیده - که غلظت مهار کننده آنها 0,1 مولار و غلظت مواد اولیه آنها 0,01مولار بود - سبز کم رنگ بوده و تفاوت قابل ملاحظه اي با یکدیگر نداشتند. ساختار نانو کریستالها به صورت مکعبی بودند. در صورتی که نسبت غلظت مهار کننده به غلظت مواد اولیه افزایش یابد، نانو ذرات علاوه بر اینکه کوچکتر می شوند به صورت تک سایز تر هم تولید می گردند - به دلیل ایجاد قله جذب نوري - .

سپاسگزاري

مؤلفین از مؤسسه آموزش و تحقیقات صنایع دفاعی به خاطر حمایتهاي مالی این پروژه سپسگزاري می نمایند.

مراجع