بخشی از مقاله
چکیده
در این پزوهش نانو سیم های دی اکسید تیتانیوم خالص و آلاییده به گوگرد با دو شرایط متفاوت - آلایش همزمان با رشد نانوساختارهای اکسید تیتانیوم و پس از تشکیل نانوسیم ها - ، به روش نشست بخار شیمیایی گرمایی در دمای 400 درجه سانتیگراد و در فشار اتمسفر رشد داده شدند. ریخت شناسی نانو سیم ها با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی نشان داد که آلاییدن همزمان نانو سیم های دی اکسید تیتانیوم با گوگرد ، باعث ایجاد نانو ساختارهای متفاوت می گردد اما با آلایش نانو سیم ها به گوگرد بعد از رشد نانو سیم ها،مورفولوژی یک بعدی آنها به صورت سیم، حفظ شده است. حضور گوگرد در نمونه آلاییده توسط طیف سنجی متفرق اشعه ایکس و پراش اشعه ایکس تایید گردید. همچنین طیف سنجی فرابنفش- مرئی نشان داد که آلایش گوگرد در نانوساختارهای دی اکسید تیتانیوم، باعث کاهش گاف نواری از 3/1 به 2/9 الکترون ولت گردیده است.
مقدمه
ساختار های یک بعدی به دلیل دارا بودن نسبت بالای سطح بهحجم، دارای پتانسیل منحصر به فردی در ساخت قطعات الکترونیکی، سنسورها و سلول های خورشیدی می باشند.دیاکسید تیتانیوم نیمه رسانای با شکاف انرژی بالا،سازگار با محیط زیست،ارزان بوده و دارای پایداری شیمیایی بالا است. در میان نانو ساختارهای دی اکسید تیتانیوم، نانو سیم های آن از اهمیتPACS No. 1.07.Bcویژه ای برخوردارند .[1-3]به دلیل اینکه بلور دی اکسید تیتانیومجهت مرجحی برای رشد ندارد ساخت نانو سیم های آن نسبت بهنیمه رساناهای دیگر دشوار تر و بسته به روش رشد با مشکلات متفاوتی همراه است .[1]تاکنون روش های مختلفی از جملههیدروترمال،سل -ژل،لایه نشانی بخار شیمیایی برای رشد نانو سیم های دی اکسید تیتانیوم به کار گرفته شده اند.
روش لایه نشانیبخار شیمیایی گرمایی روشی به نسبت ارزان و سریع است کهلایه های حاصل از این روش ضمن داشتن بلورینگی مناسب کهدر فاز مایع انجام می شود، ناخالصی کمتر و چسبندگی بهتری بهزیر لایه دارد .[4] دی اکسید تیتانیوم گزینه مناسبی برایکاربردهای فوتوکاتالیستی می باشد اما از آنجایی که توانایی جذبحدود 3 تا 4 درصد طیف نور خورشید در ناحیه فرابنفش را دارد، تلاشهایی برای کاهش گاف انرژی آن با آلایش توسط فلزات مانندآهن و نقره، و غیر فلزات مانند نیتروژن و گوگرد صورت گرفتهاست. تاکنون محققین زیادی در زمینه آلایش دی اکسید تیتانیوم باگوگرد کار کرده اند که از جمله آن میتوان به کار آقای چارلز و همکارانش اشاره کرد .[5]
در مقاله حاضر رشدنانو سیم های دیاکسید تیتانیوم به روش نشست بخار شیمیایی گرماییو همچنین آلایش آنها با گوگردحین تشکیل نانو ساختارها و پس از تشکیلنانو ساختارها مورد بررسی قرار گرفت.گرچه آلایش نانوساختارهای دی اکسید تیتانیوم پیشتر توسط محققان صورت گرفتهاست اما آلایش گوگرد در این ساختارها با روش ارایه شده در این مقاله - پس از رشد نانو سیم های مذکور - جدید می باشد و مورد مشابهی دیده نشده است. جهت بررسی مورفولوژی و خواص نانوسیم های بدست آمده، ازمیکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM - ، پراش اشعه ایکس - XRD - وطیف سنجی فرابنفش-مریی - UV-visible - استفاده شد.
مواد و روش ها
شکل 1 چیدمان دستگاه لایه نشانی بخار شیمایی گرمایی را نشان می دهد که شامل یک کوره افقی و یک لوله از جنس کوارتز میباشد.گازهای واکنش دهنده در این آزمایش اکسیژن ، آب و تتراکلرید تیتانیوم - به عنوان منبع تولید تیتانیوم - هستند. آب و تتراکلرید تیتانیوم توسط عبور گازهای حامل آرگون و نیتروژن از ظرفحاوی آنها به داخل کوره هدایت میشوند.میزان فلوی گازها بهداخل کوره توسط فلومتر مکانیکی گازی کنترل می شود. زیرلایهشیشه ای درمنطقه A در فاصله 20 سانتیمتری از ابتدای کوره قرار داده شد و سرعت گاز آرگون و گاز نیتروژن به عنوان گازحامل به ترتیب روی 100sccmو 560sccm تنظیم شد، دمایکوره نیز به گونهای تنظیم شد که در طول مدت 10 دقیقه به C 400 رسید و 60دقیقه در این دما باقیماند و در این زمان سرعتشارش گاز اکسیژن به عنوان گاز ورودی برای اکسیداسیون بر روی 560sccm تنظیم شد.آلایش گوگرد به دو روش ،حضور گوگردهمزمان با فرایند رشد نانو ساختارهای دی اکسید تیتانیوم در محفظه و آلایش گوگرد پس از ساخت نانو سیم های دی اکسیدتیتانیوم صورت پذیرفت .
در روش اول همزمان با تولید دی اکسید تیتانیوم در محفظه، گوگرد وارد ساختار آنها گردید. در این روشاز پودر گوگرد استفاده شد و گوگرد را در بوته سرامیکی در منطقهای از کوره که دمای آن کمتر از منطقه وسط کوره کوره است - حدود300 درجه سانتیگراد - قرار گرفت با رسیدن دمای کوره به 400 درجه سانتیگراد و تولید نانو سیم های دی اکسید تیتانیوم به روشی که قبلا ذکر شد گوگرد وارد ساختار دی اکسید تیتانیوم گردید. در روش دوم نانو سیم های دی اکسید تیتانیوم تولید شده بر روی لام شیشه ای را در مرکز کوره در دمای 400 درجهسانتیگراد قرار دادیم و گوگرد را در محلی در کوره که دمایکمتری دارد قبل از نانو سیم های دی اکسید تیتانیوم به گونه ایکه با افزایش دمای کوره گوگرد در محیط گاز اکسیژن به صورت گاز دی اکسید گوگرد در آمد و با عبور از سطح نانو سیم های مذکور به صورت رقابتی وارد ساختار دی اکسید تیتانیوم گردید.سرعت شارش گاز اکسیژن به عنوان گاز ورودی بر روی 200sccm تنظیم شد.
نتایج و بحث
شکل 2 تصویر میکروسکوپ الکترونی نانو سیم های دی اکسید تیتانیوم خالص تولید شد ه به روش نشست بخار شیمیایی دردمای 400 C را نشان میدهد. همانطور که دیده میشودساختارهای تولید شده اکثرا" به صورت نانو سیم می باشند.به منظور بررسی آلایش گوگرد در نانو ساختارهای دی اکسیدتیتانیوم و مشخص نمودن میزان گوگرد در آنها از طیف سنجیEDX بهره گرفته شد.شکل 3 تصویرمیکروسکوپ الکترونی از نانوسیم های آلاییده باگوگردرا نشان میدهد که حاکی از این است حضور گوگرد همزماندر محفظه رشد نانو ساختارهای دی اکسید تیتانیوم ،باعث بهم ریختگی ساختاری آنها گردید، به گونه ای که آنها را از شکل نانو سیم خارج نموده است.
تولید نانو سیم ها با روش دوم، یعنی آلایش نانو ساختارهای دیاکسید تیتانیوم پس از فرایند شکل گیری آنها به صورت نانو سیم ،هم گوگرد به صورت آلایش در ساختار دی اکسید تیتانیوم قرار گرفت هم شکل آنها از حالت نانو سیم خارج نگردید. شکل 4 تصویر میکرسکوپ الکترونی نانو سیم های دی اکسید تیتانیوم آلاییده با گوگرد تولید شده به روش دوم را نشان می دهد.جدول 1داده های EDX مربوط به نمونه آلاییده با روش اول رانمایش می دهد.همانطور که مشاهده می شود میزان 18/92 درصدگوگرد در این ساختارها وجود دارد. جدول2 داده های EDXمربوط به نانو ساختارهای آلاییده پس از فرایند شکل گیری آنها به صورت نانو سیم دی اکسید تیتانیوم به روش دوم است همانطورکه مشاهده میشود میزان 8/98 درصد گوگرد در ساختار دی اکسیدتیتانیوم را نمایش می دهد.
