بخشی از مقاله
چکیده - در این پژوهش، اثر محیط اتانول و استون بر روی خصوصیات اپتیکی اکسید گرافن تولید شده به روش کندوسوز لیزری به صورت تجربی بررسی شده است. هارمونیک دوم لیزر پالسی نئودیم - یاگ - - Nd:YAG در طول موج 532 نانومتر برای کندوسوز هدف گرافیت در محیط اتانول و استون به کار برده شد. هدف از این تحقیق بررسی پتانسیل محیط اتانول و استون برای تولید گرافن بود. نمونههای تولید شده توسط طیف جذبی در ناحیه UV-Vis-NIR، تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری، طیفسنجی رامان و طیف فوتولومینسانس مطالعه شدند. نتایج نشان میدهد نانوساختارهای تولید شده به دو دسته تقسیم میشوند: نانوذرات کربنی و نانوصفحات گرافن که بخش اعظم آن اکسید شده است. نانوذرات کربنی شکل گرفته در استون بزرگتر از نانوذرات ایجاد شده در اتانول هستند و همچنین پیوندهای sp2 بیشتری در محیط الکل شکل گرفتهاند.
-1 مقدمه
گرافن ورقهای دوبعدی از اتمهای کربن در یک پیکربندی شش ضلعی - لانه زنبوری - میباشد که در آن اتمها با هیبرید sp2 به هم متصل شدهاند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم دیگر کربن پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آنها با یکدیگر مساوی و 120 درجه است. در یک صفحه گرافن هر اتم کربن یک اوربیتال در خارج از صفحه دارد. این اوربیتال مکان مناسبی برای پیوند با برخی گروههای عاملی و همچنین اتمهای اکسیژن یا هیدروژن است .[1] روشهای متنوعی شامل روشهای فیزیکی و شیمیایی برای ساخت نانوساختارهای کربنی استفاده میشود. از میان آنها، روش کندوسوز لیزری توجه بیشتری را به خود جلب کرده است.
روش کندوسوز لیزری در محیط مایع مزایای بسیاری دارد که علاوه بر ارزان بودن این روش، در نهایت محصول با خلوص بالا و بدون مواد جانبی در دسترس است. مشخصات نانوساختارهایی تولید شده به روش کندوسوز لیزری، به شرایط تابش لیزر مانند قدرت، زمان پالس، طول موج و محیط مایع بستگی دارد .[2] هدف ما در این تحقیق بررسی اثر محیط اتانول و استون در تولید گرافن و خواص اپتیکی آن به روش کندوسوز لیزری است. اتانول و استون مولکولهای قطبی هستند، مولکولهای قطبی با ایجاد یک لایهی الکتریکی قوی در اطراف نانوذرات از رشد، لخته شدن و تهنشینی آنها جلوگیری میکنند[3] در نتیجه میتوان محلولهای پایدارتری داشت.
-2 روش آزمایش
برای انجام این آزمایش از هارمونیک دوم لیزر پالسی نئودیم - یاگ - Nd:YAG - با مدل Spectro Q-Pulse A با طول موج 532 نانومتر استفاده شد. این لیزر با استفاده از یک کریستال کوارتز Q سوئیچ شده و پالسی میگردد. پهنای پالس لیزر 7 نانوثانیه و فرکانس تکرار پالسهای لیزر 10 هرتز انتخاب شده است. قطر پرتوی خروجی لیزر 6 میلیمتر بود که توسط یک عدسی با فاصله کانونی 10 سانتیمتر بر روی هدف متمرکز شد. همچنین چگالی انرژی پالس 0/7 ژول بر سانتیمتر مربع انتخاب شده است. در این آزمایش از حلالهای هیدروکربنی الکل و استون استفاده شده است که مربوط به شرکت Merck آلمان میباشد. جزئیات مربوط به نمونههای مایع در جدول 1 ارائه شده است. برای تولید نمونه، هدف گرافیت در داخلیک بِشر که با محیط مایع موردنظر پُر شده بود قرار گرفت.
حجم محیط مایع 80 میلیلیتر و ارتفاع محیط مایع بر روی هدف گرافیت 5 میلیمتر بود. با استفاده از معادله w02 f/ w01 اندازه خال پرتو پالس لیزر بر روی سطح گرافیت برابر با 30 میکرومتر محاسبه شد. در این رابطه w01 قطر پرتوی خروجی لیزر و w02 اندازه خال پرتو، طول موج لیزر و f فاصله کانونی عدسی به کار رفته است. برای تولید نانوساختارهای کربنی تعداد 5000 پالس به هدف گرافیت برخورد کرد و در طی مدت زمان کندوسوز لیزری، هدف گرافیت به طور دستی چرخانده شد تا کندوسوز به طور یکسان انجام گیرد.
لازم به ذکر است هدف گرافیت و تمامی ظروف به کار رفته در این تحقیق قبل از کندوسوز لیزری به وسیله امواج مافوقصوت - Ultrasonic - در الکل، استون و آبمقطر پاکسازی شدند. با استفاده از دستگاه طیفسنج اسپکتروفتومتر PG instruments Ltd تغییر در طیف جذبی امواج الکترومغناطیسی نانوساختارهای کربن در بازه طولموجی 200 تا 1100 نانومتر بررسی شد. برای بررسی شکل و اندازه نانوساختارهای تولید شده از میکروسکوپ الکترونی عبوری Zeiss-EM101C-80 kV - TEM - استفاده شد. دستگاه طیفسنجی رامان با مدل Algoma جهت بررسی ساختار شبکه-ای و دستگاه طیفسنج Cary Eclipse که مجهز به لامپ زنون است، برای بررسی خصوصیات فوتولومینسانس نانوساختارهای کربن، مورد استفاده قرار گرفت.
-3 نتایج و بحث
در شکل 1 طیف جذبی نانوساختارهای کربن نشان داده شده است. در این اندازهگیری انرژی فوتون در محدودهای است که می-تواند باعث برانگیختن نوسانات اکسیتونی شود. نانو ساختارهای نیمههادی دارای پیک جذبی اکسیتونی و نانوساختارهای رسانا دارای پیک جذبی پلاسمونی هستند. اکسید گرافن به عنوان یک ماده نیمههادی دارای پیک جذبی اکسیتونی است. دلیل وجود این پیکها نوسانات محصور شدهی الکترون -حفره در حالت برانگیخته در نانوساختار نیمه هادی میباشد. به عبارت دیگر پیکهای ایجاد شده عمدتاً به دلیل وجود نانوذرات اکسیدکربن در محلولها می-باشند.
شکل -1 طیف جذبی نانوساختارهای کربنی
گزارشات قبلی نشان میدهد هر چه تعداد نانوذرات در محلول افزایش یابد، شدت پیک افزایش خواهد یافت و هر چه اندازهی نانوذرات در محلول افزایش یابد، مکان پیک به سمت طول موج قرمز جابجا خواهد شد.[4] شدت پیک برای نمونهی تولید شده در محیط اتانول بیشتر از استون است، در نتیجه نانوذرات اکسیدکربنی بیشتری در محیط اتانول نسبت به استون وجود دارد. قله جذب اکسیتونی نانوذرات اکسیدکربنی در محیط اتانول و استون به ترتیب در طولموج 307 و 334 نانومتر مشاهده می-شوند. جابجایی قله جذب اکسیتونی به سمت طول موج قرمز در محیط استون حاکی از این مسئله است که نانوساختارهای اکسیدکربنی در این محیط، دارای اندازهی بزرگتری نسبت به محیط اتانول است.
پیک جذبی مربوط به گذار * ؛ در پیوند C=C و گذار n- * در پیوند C=O به ترتیب در 230 و 300 نانومتر رخ میدهند .[5] در نتیجه مکان پیک جذبی در این پژوهش، بیانگر نفوذ اکسیژن در ساختارهای کربنی نمونههاست و انتظار میرود در نمونهها اکسیدگرافن تشکیل شده باشد. برای بررسی بیشتر این ادعا، طیف رامان حاصل از نمونهها را در شکل 2 بررسی خواهیم کرد. در طیفسنجی رامان به بررسی جنبههای مختلف نانوساختارهای کربن با توجه به تفاوتهایی که در بین نانوساختارهای کربن در محیطهای مایع مختلف رخ داده است، میپردازیم.
برای آمادهسازی نمونهها در این آنالیز، نمونه به صورت قطرهقطره بر روی لام شیشهای ریخته و در دمای اتاق خشک شد تا حدی که ضخامت محسوسی بر روی لام شیشهای قابل مشاهده باشد. طیف رامان از نمونهها در محدوده 1000 cm-1؛1800 ارائه شده است. باند D رامان در محدوده1200-1450 cm-1 و باند G در محدوده1500 cm-1؛1600 شناخته شده است. این باندها به شدت به نقص شبکه، اندازه کریستالها، ارتعاشات حالت مماسی ناشی از ساختار مداری sp2 و ویژگی ذاتی کربن sp2 مربوط میباشند.
شکل -2 طیف رامان از نمونهها در محدوده 1000 cm-1؛1800
باند D و G به ترتیب در 1355 و 1600 cm-1 مشاهده میشوند. در نمونه دو نیز باند D و G به ترتیب در 1350 و 1610 cm-1 مشاهده میشوند. پیک مربوط به 1470 cm-1 که در هر دو نمونه وجود دارد مربوط به نقصهای ذاتی کربن بینظم میباشد .[7] همچنین در نمونه دو، پیکی در 1150 cm-1 مشاهده میشود که مربوط به نانوالماس میباشد . [8] در آنالیز رامان شدت باند G بیانگر وجود صفحات گرافنی در نمونههاست. شدت باند D در گرافن با افزایش نقصهای موضعی و مطابق آن باندهای بینظم افزایش مییابد. در هر دو نمونه قلهی G به سمت فرکانسهای بالاتر جابجا شده که میتوان این جابجایی را به اکسید شدن گرافن در نمونهها نسبت داد.
در نمونه دو، شدت باند D بسیار بیشتر از باند G است که بیانگر کیفیت پایین گرافن تولید شده در آن است . در واقع گرافن تولید شده در این نمونه به دلیل پیوند با اکسیژن و تشکیل اکسید گرافن، کیفیت پایینی دارد. شدت باند D و G در محیطاتانول تقریباً برابر است، در نتیجه صفحات گرافن در محیط اتانول کیفیت بهتری در قیاس با محیط استون دارند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از نانوساختارهای کربنی در شکل 3 نمایش داده شده است.
شکل -3 تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از نمونهها
تشکیل شدن صفحات گرافن و نانوذرات کربنی را در به وضوح میتوان در تصاویر ملاحظه کرد. با استفاده از طیف عبوری و معادله Tauc، گاف انرژی نمونهها محاسبه گردید.[9] برای محاسبه گاف انرژی، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است با رسم خط مماس بر منحنی - αhν - 2 بر حسب hν و به دست آوردن محل تقاطع با محور انرژی، مقدار گاف انرژی را محاسبه نمودهایم.
