بخشی از مقاله
چکیده
لایههاي اکسید ترکیبی W Ti O به روش لایهنشانی لیزر پالسی از هدفهاي ترکیبی ساخته و خواص شیمیایی سطح، خواص اپتیکی و همچنین تاثیر گاز هیدروژن بر عبور اپتیکی آنها مطالعه شده است. نتایج طیفسنجی فوتوالکترونهاي اشعه ایکس - XPS - نشان می دهد فاز اکسیدي WO3 و TiO2 همزمان وجود دارند.طیفهاي عبور نمونه ها نشان می دهند افزایش اندکی اکسید تیتانیوم عبور را کاهش می دهد که به افزایش پراکندگی اپتیکی نسبت داده می شود ولی با افزایش مقدار آن، میزان عبور مجددا افزایش مییابد که آن را به تاثیر بیشتر اکسید تیتانیوم در مقادیر بیشتر نسبت میدهیم. با این حال گاف انرژي اپتیکی به طور صعودي از مقدار3 eV به 65 eVر3 افزایش مییابد. مواجه یک نمونه از اکسید ترکیبی با گاز هیدروژن منجر به تغییر طیف عبور اپتیکی در لایه و رنگیشدن نمونه گردید. این موضوع نشان میدهد از لایههاي اکسید ترکیبی W Ti O میتوان براي اهداف گازوکرومیکی و احتمالا کنترل خواص اپتیکی لایهها استفاده کرد.
مقدمه
لایههاي گازوکرومیک از یک لایه الکتروکرومیک مانند اکسید فلزات واسطه WOx، MoOx، یا V2O5 و یک لایه چند نانومتري کاتالیست Pt و یا Pd تشکیل یافتهاند. این لایهها در حضور گاز
هیدروژن رقیق، تغییراتی در خواص اپتیکی خود مانند عبور،انعکاس یا جذب نشان میدهند و مجددا در حضور اکسیژن رقیقبه حالت اولیه باز میگردند. اکسید تنگستن از مهمترین مواد گازوکرومیک میباشد که پدیده رنگی شدن آن سالهاست شناخته شده است .[1] فرایند رنگی شدن را با مدلهاي مختلف توصیف کردهاند. به عنوان مثالدب و همکارانش [2] تهیجاهاي اکسیژنکه در یک فرایند شیمیایی سطح توسط یونهاي هیدروژن تولید وبه درون لایه نفوذ میکنند را عامل ایجاد مراکز رنگ میوهدانند.
گرزیادي مدل مبتنی بر تشکیل پلارونهاي کوچک در ساختارشبکهاي اکسید تنگستن را معرفی کردهاند که شواهد بیشتري براياثبات آن ارایه شده است. با همه این اوصاف و عدم وجود توافق واحد براي توصیف این پدیده، کاربردهاي آن در فناوري به اندازهکافی سودمند است که جنبههاي مختلف آن بررسی شده و خواصآن مورد بهبود قرار گیرد. براي لایههاي گازوکرومیک کاربردهايفراوانی از جمله پنجرههاي هوشمند [4] و سنسورها ونمایشگرهاي گاز هیدوژن [5] پیشبینی میشود. در این مقاله سعی میکنیم ایده استفاده از اکسیدهاي ترکیبی بر پایه اکسید تنگستن براي ایجاد لایه هایی با خواص اپتیکی مناسبتر را بررسی کنیم.قبلا ساخت لایههاي ترکیبی W V O را مورد بررسی قرار داده و اثر آن بر خواص گازوکرومیک را مطالعه کردهایم 7] و.[6
در آنجا معلوم شد که کنترل مقدار ماده افزودنی از اهمیت زیادي برخوردار است. علت استفاده از اکسیدهاي فلزي در کنار WO3بهبود خواص اپتیکی در کنار حفظ خاصیت گازوکرومیک لایهمیباشد. در این مقاله مشخصهیابی و گازوکرومیک لایههاي ترکیبیW Ti O تهیه شده به روش لایهنشانی لیزر پالسی - PLD - بررسی خواهد شد. از آنجا که در PLD کندوسوز - ablation - ماده از فشار بخار آن مستقل است، نقطه ذوب ماده در فرایند کندوسوز تاثیري ندارد و بنابراین استوکیومتري هدف به زیرلایه منتقل خواهد شد. همچنین به علت استفاده از گاز زمینه اکسیژن - لایهنشانی واکنشی - لایههایی با تخلخل نانومتري خواهیم داشت که براي نفوذپذیري گازي مانند هیدروژن اهمیت فراوانی دارد.بنابراین به عنوان روش مناسبی براي لایهفلزينشانی اکسیدهايآمیخته در این مقاله از آن استفاده شده است.
شرایط آزمایش
فیلمهاي ترکیبی W Ti O بر روي شیشه با روش PLD ساخته شدهاند. قرصهاي هدف از پودرهاي خالص - TiO2 - x - 3N - 33 - WO1 xر0، 29ر0، 23ر0، 17ر0 ، 09ر0 و - x=0 تهیه شده و پس از مراحل مخلوط و پرس کردن در دماي 450 درجه سانتیگراد به مدت 11 ساعت پخت شدند. سیستم PLD مورداستفاده شامل یک لیزر اگزایمر - طول موج 248 نانومتر و پهناي پالس - 24±3 ns، محفظه خلا، زیرلایه و هدف چرخان میباشد.فاصله زیرلایه از هدف 3 سانتیمتر بود. لایهنشانی در دماي اتاق انجام گرفته و محفظه خلا تا فشار پایهشده1×10 5 Torr تخلیه است. پالسهاي لیزر با آهنگ تکرار 15 Hz و انرژي 300 mj بر پالس تحت زاویه 45 درجه به هدف اصابت مینشانیکردند.
لایهدر مقدار فشار جزیی 500 mTorr از گاز اکسیژن خالص - %99,999 - انجام گرفته است. در هر فرایند لایهنشانی، از 9500پالس استفاده شده است.بر اساس ترکیب شیمیایی مختلف بکار رفته، لایهها با W، WT1، WT2، WT3، WT4، WT5 براي مقادیر، مختلف x به ترتیب 009ر0، 17ر0، 23ر0، 29ر0 و 33ر0 نامگذاري شدهاند. براي تحلیلنوع پیوندها از آنالیز XPS در یک سیستم ESCA/AES - دارايآنالیزگر کروي هممرکزCHA، و خط AlKα در 6 eVر - 1486استفاده شده است. مقیاس انرژي با انرژي بستگی کربن eV - 8ر - 248 کالیبره شده است. طیف عبور اپتیکی لایهها بر روي شیشه در ناحیه مرئی و نزدیک IR با اسپکترومتر UV Vis JASCOتهیه شده است. به منظور بررسی خواص گازوکرومیک لایهها ازیک محفظه شفاف کوچک با حجم 40 cm3 و ترکیب گاز %10H2/Ar استفاده شده است.200 nm
نتایج و بحث
مورفولوژي
بررسیهاي مورفولوژي نمونهها نشان داده است به این روش لایهها ساختار نانومتري متخلخل دارند. در شکل1 تصویر نوعیSEM از نمونه W این موضوع را نشان میدهد. در مشاهدات
جداگانهاي، معلوم شده است دانههایی که در تصویر مشاهده میشوند خود از اجزایی با ابعاد زیر 100 nm تشکیل شدهاند. ترکیب شیمیایی سطح در شکل2 طیفهاي XPS نمونه W و WT4 به همراه مشخصه هر پیک و گذار مربوطه در بازه 0 تا 1200 eV به ترتیب به صورت - الف - و - ب - نشان داده شدهاند. ظاهر شدن پیک pدرTi2جوار پیکهاي تنگستن و اکسیژن نشان میدهد یک لایه اکسیدترکیبی W Ti O در فرایند کندوسوز هدف اکسید ترکیبی توسط لیزر به وجود آمده است. همچنین به نظر میرسد نسبت قله اکسیژن به تنگستن در طیف - ب - افزایشمنظوریافته است. به
تعیین دقیق وضعیت شیمیایی تنگستن و تیتانیوم طیفهاي fدرW4دو نمونه و همچنین Ti2p در شکلهاي 3 و 4 به ترتیب نمایش دادهشدهاند.
موقعیت قلههاي دوتایی W4f براي هر دو نمونه درانرژيهاي 7ر35 و 7 eVر37 - با دقت 2 eVر - ~0 قرار گرفتهاندکه مشخصه حالت اکسیدي W6+ بوده که معمولا در ترکیب WO3 مشاهده میشوند.
مکانهاي قله Ti2p در شکل4 نیز نشاندهنده فاز TiO2 میباشد.بنابراین فاز اکسیدي هر کدام از اکسیدهاي ترکیب شده تقریباحفظ شده است. انتظار میرود براي نمونههاي تیتانیومدار با مقادیرمتفاوت نیز این رفتار دیده شود.خواص اپتیکی و تاثیر هیدروژنخواص اپتیکی لایههاي ترکیبی W Ti O با استفاده از طیفعبور اپتیکی آنها در بازه 200 تا 1200 nm بررسی شد. مقایسه طیفها در شکل5 نشان میدهد با اندك افزایش مقدار TiO2 به لایه WO3 - نمونه - WT1 عبور اپتیکی آن به شدت کاهش پیدامیکند که ما آن را به افزایش پراکندگی نور نسبت دادهایم.
باافزایش مقدار اکسید تیتانیوم مشاهده کردیم که عبور نمونهها در همه طول موجها افزایش مییابد، به عبارتی نمونهها شفافتر میشوند. با همه این مشاهدات محاسبه شکاف انرژي اپتیکی در شکل5 نشان میدهد با افزایش مقدار اکسید تیتانیوم در لایه، گافانرژي از حدود 1 eVر3±0 براي WO3 به حدود 1 eVر6±0ر3براي WT5 افزایش مییابد. افزایش گاف انرژي ممکن است این امکان را فراهم کند که بتوانیم در فرایند رنگیشدن با هیدروژنخواص اپتیکی لایه را کنترل کنیم. سوال مهمی که مطرح میشوداین است که آیا افزودن اکسید تیتانیوم به لایههاي اکسید تنگستنضمن تغییر خواص اپتیکی میتواند خواص گازوکرومیک آنها راحفظ کند؟
