بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به انتقال بهتر الکترون در نانوسیم ها و کاربرد آنها در وسایل اپتیکی، در این تحقیق با استفاده از روش هیدروترمال نانوسیم TiO2 بر بستری از تیتانیم کندوپاش شده، رشد داده شد. رشد بلوری نانوسیمها در جهت صفحات - - 101 فاز آناتاز رخ داد و زبری سطح با استفاده از 3/07 nm AFM بدست آمد. در طیف اپتیکی لایه تیتانیم، عبوری حدود صفر مشاهده شد. با رشد بلوری نانوسیم و تغییر لایه از فلز به نیمرسانا، عبور و شفافیت در طول موج های مرئی و فروسرخ افزایش یافت.
مقدمه
نانوساختارهای یک بعدی مانند نانوسیمها یکی از اعضای مهم خانوادهی نانومواد هستند. در نانوسیمها رسانندگی توسط کانال-های یک بعدی صورت میگیرد که این ویژگی ناشی از: ساختارسیمگونه، چگالی بالا در حالتهای الکتریکی و اپتیکی، نسبت سطح به حجم بالا و زیاد بودن پراکندگی سطحی الکترونها می-باشد. نانوسیمهای دیاکسید تیتانیم در طراحی وسایل الکتریکی واپتیکی نقش بسزایی دارند 1]و.[2 از آنجاییکه روش تهیه نانوساختارها در خواصی که نشان میدهند موثر است، اخیرا تهیهینانوسیمهای TiO2 موضوع بسیاری از تحقیقات میباشد3]و.[4دیاکسید تیتانیم نیمرسانایی با گاف پهن است که رسانندگی آن با توجه به ساختار متغیر است. دی اکسید تیتانیم در سه فاز بلوری آناتاز، روتیل و بروکیت قابل متبلور شدن است.
ایجاد وانتقال زوج الکترون-حفره در فاز آناتاز بیشتر و سریعتر بوده،بنابراین ازنظر فعالیت نوری مناسبتر میباشد. گاف انرژی اپتیکیآناتاز در حدود 3/2 الکترون ولت است و در ناحیهی طول موج های فرابنفش جذب دارد و از این خاصیت در کرمهای ضد آفتاباستفاده میشود.از آنجاییکه نانوسیمهای دیاکسید تیتانیم بعنوان لایهینیمرسانا در سلولهای خورشیدی رنگدانهای، فوتوآند در سلول-
های فتوالکتروشیمیایی، فیلتر در تصفیهی آب و فتوکاتالیست درتجزیهی دیاکسید کربن و مواد آلی مورد استفاده قرار میگیرد -1] [4، در این تحقیق با روش هیدروترمال نانوسیمهای دیاکسید
تیتانیم بر بستری از تیتانیم رشد داده شدهاند. لایهی نازک تیتانیم کندوپاش شده بر زیرلایههای شیشهای، بعنوان بستر رشد استفادهشدهاست. ساختار بلوری، پارامترهای اپتیکی و ریخت شناسیسطح نانوسیمها نیز مورد مطالعه قرار گرفته است.
روش تجربی
نانوسیم های دی اکسید تیتانیم با فرآیند هیدروترمال و استفادهاز بستر تیتانیم انباشت شده بر زیرلایهی شیشهای رشد داده شدند.لایهی تیتانیم به روش کندوپاش با تارگت تیتانیم به قطر 10mm و ضخامت 3mm توسط دستگاه لایهنشانی کندوپاش مغناطیسی-امواج رادیویی ساخت کشور فرانسه - مدل - VAS تهیه شدند. قبل از لایهنشانی زیرلایههای شیشهای با ابعاد 25mm×12/5mm×1mm، ابتدا در محلولهایی از استون واتانول در 4 مرحلهی 15 دقیقهای در دستگاه فراصوت تمیز شدند. سپس با آب دی یونیزه شستشو و در آون خشک گردیدند. لایه نشانی در دمای اتاق، تحت گاز آرگون و با فشار ثابت 0/025میلی بار انجام شد. لایهی تیتانیم - نمونه ی - T1 در مدت زمان 10دقیقه با توان 650 وات و نرخ لایهنشانی 33 nm/min انباشته شد.
جهت انجام فرآیند هیدروترمال، نمونهی لایه نشانی شده در اتوکلاو با 20ml سدیم هیدروکسید 5 مولار قرار داده شد و دردمای 80 C، به مدت 1 ساعت قرار داده شد. پس از بیرون آوردنلایه از اتوکلاو، با آب دی یونیزه و محلول 0/1 مولار اسید نیتریت چندین بار شستشو شد - نمونه ی . - T2 در نهایت برای رشد بلورینانوسیمهای TiO2، نمونهی T2 دمای 600 C برای 3 ساعتپخت داده شد - نمونه ی . - T-NWدر این تحقیق تعیین ساختار بلورینگی نمونهها توسط دستگاهپراش اشعهی ایکس، مدل &X . ' - STOE-STADV - 1.54060 c انجام شد. مطالعات اپتیکی نیز با استفاده از طیفهای بدست آمده از دستگاه طیفسنجی مرئی-فرابنفش - -UV - Vis ساخت کشور ژاپن - JASCO, V-630 - صورت گرفت وریخت شناسی سطوح توسط میکروسکوپ نیروی اتمی - - AFMساخت شرکت Nano Surf سویس و میکروسکوپ الکترونی روبشی - - SEM ساخت شرکت TSCAN کشور چک، تعیین گردیدند.
نتایج و بحث
طیف پراش اشعهی ایکس برای نانوسیمهای سنتز شده در شکل 1 آورده شدهاند. در این طیف قلهی تیزی در زاویه2 24/94 مشاهده می شود که نشان دهندهی شبکهی بلوریتتراگونال و مربوط به فاز بلوری آناتاز در ساختار دیاکسید تیتانیماست. در شکل بلورینگی در جهت صفحات - 101 - بخوبی قابلمشاهده است - . - JCPDS card NO.21-1272.[1] در شکل 4 تصویر SEM از برش عمودی لایهای از نانوسیم-های دیاکسید تیتانیم جهت تعیین رشد و طول نانوسیمها آوردهشده است. از آنجاییکه ضخامت بستر تیتانیم برای رشد نانوسیمهادر حدود 330 نانومتر بوده است، مشاهده میشود که رشدنانوسیمها بین 160 تا 210 نانومتر میباشد.زبری بدست آمده برای نمونهها با استفاده از تصاویر AFMکه در شکل 5 نشان داده شدهاند، مقدار 3/07 نانومتر است.
اینناهمواری و زبری ناشی از رشد نانوسیمها روی سطح تیتانیم استو پراکندگی و فعالیت نوری سطح را افزایش میدهد.شکل 2 تصویر SEM از سطح نانوسیمها است که رشد آنها را بصورت مایل و درهمفرورفته نشان میدهد. نحوهی رشد نانوسیم- ها بطور طرح وار در شکل 3 نشان داده شده است که اینگونه رشد روی سطح برای نانوسیمهای TiO2 قبلا نیز مشاهده شده است شکل 6 طیفهای عبور نمونهها با توجه به تغییرات آنها در طیشکلگیری نانوسیم را نشان میدهد. همانطورکه از شکل نمایان است، نمونهی T1 عبور کم، در حد صفر دارد که این رفتار باتوجه به فلزی بودن لایهی تیتانیم قابل انتظار است زیرا فلزات سطح کدر و براق دارند و درنتیجه دارای جذب بالا هستند.
پس از فرآیند هیدروترمال - - T2، عبور این لایه افزایش می یابد که می-تواند نشان دهندهی اکسید شدن مقداری از لایهی تیتانیم ناشی از حرارت و محلول هیدروترمال باشد که سبب اندکی شفافیت شده است. با پخت نمونه و تشکیل فاز بلوری نانوسیمها، جذب بشدت کاهش و عبور افزایش مییابد و لایه شفاف میشود که حاکی ازاکسید شدن کامل لایهی فلزی تیتانیم و شکلگیری ساختار نیمرسانای دیاکسید تیتانیم است. در نیمرسانای دیاکسید تیتانیم معمولا انتقال الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش با عبور غیرمستقیم رخ میدهد پس می
