بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، نانو میله هاي اکسید تنگستن با حرارت دادن لایه نازك اکسید تنگستن که با روش شیمیایی سل-ژل به طریق غوطه وري برروي زیرلایه میکا لایه نشانی شده، در شرایط کنترل شده - دماي 8000C، محیط گازي N2 به مدت زمان 60 دقیقه - رشد داده شدند. به منظور بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی نانو میله هاي اکسید تنگستن تهیه شده، از تکنیک میکروسکوپی الکترونی روبشی - - SEM براي ریخت شناسی، شکل، اندازه و توزیع آنها در سطح و از تکنیک اسپکتروسکوپی فتوالکترونهاي اشعه ایکس - XPS - براي تعیین ترکیب شیمیایی سطح استفاده شد. بر اساس تحلیل نتایج بدست آمده از طیف XPS، 75% پیوندهاي اکسید تنگستن روي سطح از نوع WO3 و 25% آن WOx هستند. با توجه به تحلیل مشاهدات تصاویرSEM، نانو میله هاي سنتز شده داراي طول و پهنایی به ترتیب بین 3 -10 μm و 200-400 nm می باشند.
مقدمه
امروزه نانو ساختارهاي شبه یک بعدي - Q1D - 1 با نسبت سطح به حجم - A/V - بالا، مانند نانو سیمها، نانو نوارها، نانومیله ها به علت پتانسیل داشتن کاربردهاي جدید در ساخت ابزارهاينانومتري توجه بسیاري از محققان را به خود جلب کرده است. در میان اکسید فلزات واسطه، اکسید تنگستن نیمه هادي نوع n باگاف غیر مستقیم و انرژي گاف حدود 2/7eV ، با فازهايمختلف و ترکیبات متنوع - مانند WO3، WO2، - WO3-x داراي کاربردهاي جدید در زمینه هاي مختلف تکنولوژیکی نظیرالکتروکرومیک، اپتوکرومیک، گازکرومیک و فتوکاتالیستی میباشد. این خواص منجر به استفاده از این اکسید فلزي در مصارف گوناگون مثل صفحات تخت نمایشگر ها، پنجره هاي هوشمندشیشه هاي تزئینی و یا سنسورهاي گازي - شامل H2، H2S،NH3، - NOx شده است. [1-3]
در حوزه مطالعات نانو تکنولوژي، مشخص شد که مواد درمقیاس نانومتري خواص متفاوتی از خود نمایش می دهند.بنابراین، مطالعه دقیق ویژگی ها و بررسی روشهاي سنتز و تولیدآنها بسیار مفید و ضروري است. لذا پس از ساخت لایه نازك اکسید تنگستن تلاش هاي زیادي براي تهیه ساختارهاي یک بعدي اکسید تنگستن با روش هاي مختلف فیزیکی و شیمیایینظیر بخار-مایع-جامد [4] - VLS - 2، بخار-جامد [5] - VS - 3 واستفاده از مواد متخلخل با قطر حفره محدوده 2-50nm - شاملAAO، SBA-15، FSM-16، - MCM-41 به عنوان قالبصورت گرفته است[6]، که روش شیمیایی - سل-ژل - در مقایسهبا روشهاي دیگر روشی ساده و ارزان و براي ساخت این نوع نانوساختارها در ابعاد بزرگ می توان استفاده کرد.[7]در این مقاله، براي اولین بار چگونگی ساخت نانو میله هايشبه یک بعدي اکسید تنگستن به روش شیمیایی Sol-Gel با انجام عملیات حرارتی و بدون استفاده از مواد متخلخل بر روي زیر لایه میکا گزارش خواهد شد. نانومیله هاي رشد داده شدهWO3 با استفاده از تکنیک هاي آنالیز SEM و XPS مشخصهیابی و شناسائی خواهند شد.
شرح آزمایش
در این تحقیق، در مرحله اول لایه نازك اکسید تنگستن بهروش سل-ژل با استفاده از لایه نشانی غوطه وري بر روي زیر لایه میکا تهیه گردید. براي تهیه سل WO3 از تنگستات سدیم -Na2WO4.2H2O - مرك - ، آب اکسیژنه - %33، -H2O2 مرك - ، اسید نیتریک، آب مقطر و اتانول استفاده شد. در ابتدا مقدار مشخصی از تنگستات سدیم، با اسید نیتریک شستشو داده شد تا ضمن اسید شویی، سدیم موجود در ترکیب از آن حذف گردد.پس از حدود نیم ساعت هم خوردن توسط همزن مغناطیسیتنگستات سدیم در HNO3 رسوب سبزرنگی حاصل شد کههمان WO3 بود. با دور ریز اسید و یک مرتبه شستشوي رسوب حاصل با آب مقطر، سدیم موجود به مقدار قابل ملاحظهاي حذفگردید.
رسوب باقی مانده در مقدار مشخصی آب اکسیژنه حل شد که در نهایت محلول شفافی حاصل گشت که در آن نسبت مولی آب اکسیژنه به WO3، 11:2 بود. سپس اتانول را با نسبت مولی یک به یک به WO3 اضافه شد تا محلول پایدار گردد. پس از گذشت 24 ساعت به منظور آزاد شدن اکسیژنهاي اضافی و بالارفتن ویسکوزیته محلول آن را به مدت 2 ساعت در معرض تابش نور لامپ 100W قرار دادیم و پس از این، محلول آماده لایه نشانی شد. پس از آماده شدن سل، عملیات لایه نشانی آغاز گردید. زیر لایه ها به مدت 1 دقیقه در داخل محلول غوطهور ماندند و پس از سپري شدن این مدت، آنرا با سرعت 1 mm/sاز محلول بیرون کشیدیم .[8] لازم به ذکر است که قبل از انجام عمل لایه نشانی بر روي سطح زیرلایه میکا باید آن را به دقت تمیز نمود تا هیچگونه آلودگی بر روي آن باقی نماند.
ژل هاي تشکیل شده بر روي سطح زیرلایه ها را به مدت یک ساعت درون کوره مکعبی، در دماي 100 °C در محیط هوا خشک کردیم. در مرحله دوم به منظور انجام عملیات حرارتی، نمونه ها بر روي بوته Al2O3 داخل کوره لوله اي کوارتز قرار گرفتند. ابتدا گاز N2 به مدت سه دقیقه فلاش گردید، سپس نمونه ها درمحیط N2 در دماهاي700 و 800 درجه سانتیگراد با جریان ثابت 100 sccm براي مدت زمان 60 دقیقه پخت شدند. به منظور مطالعه خواص نمونه هاي تهیه شده، با استفاده از تکنیک میکروسکوپی الکترونی روبشی - - SEM و تکنیک اسپکتروسکوپی فتوالکترونهاي اشعه ایکس - - XPS به ترتیب ریخت شناسی - شکل، اندازه و توزیع ذرات در سطح - ، نوععناصر و ترکیبات شیمیایی روي سطح تعیین و بررسی گردید.
نتایج و بحث
با توجه به نتایج حاصل از تصاویر بدست آمده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، طول و پهناي نانو میله هاي اکسید تنگستن که در دماي 800 ˚C در محیط N2 رشدکردند، به ترتیب بین 3 -10μm و 200 -400nm اندازه گیري شد. شکل1 - الف و ب - ساختار این نانو میله ها و تراکم آنها را روي سطح نشان می دهد.
شکل - -1 الف - تصویرSEM نانو میله هاي اکسید تنگستن براي نمونه هاي پخت شده در دماي - 800˚C خط اندازه 10µm است -
شکل - -1 ب - تصویرSEM نانو میله هاي اکسید تنگستن براي نمونه هاي پخت شده در دماي - 800˚C خط اندازه 5µm است -
همچنین شکل 2 نمایش دهنده سطح نمونه پخت شده در دماي700˚C در شرایط یکسان نمونه هاي تهیه شده در شکل 1، میباشد. تصاویر SEM نشان می دهد که در دماي 700˚C برروي سطح آنها فقط نانوذرات مشاهده می شود و نانو میله ها بر روي سطح رشد نکرده اند. بر اساس تحلیل مشاهدات SEM،دماي آستانه براي رشد نانو میله هاي اکسید تنگستن در این روش800˚C تعیین گردید.
شکل - - 2 تصویرSEM سطح نمونه هاي پخت شده در دماي 700˚C - خط اندازه 1µm است - ترکیب شیمیایی سطح نانو میله هاي اکسید تنگستن در محیطUHV به وسیله سیستم اسپکتروسکوپی فوتو الکترونهاي اشعه - XPS - X مشخصه یابی و تعیین شد. طیف گسترده آنالیز XPSدر شکل 3 حضور پیک هاي مختلف مربوط به عناصر , W, O K, C, Al, Si و Na را در محدوده انرژي پیوندي از صفر الی1200eV بر روي سطح نمونه هاي تهیه شده در دماي 800˚Cتایید می کند.
از میان این عناصر مهمترین آنها - O - 1s و W - 4f - هستند که به ترتیب در انرژي پیوندي 530/6 و35/8eV می باشد. لازم به ذکر است که مکان پیک C - 1s - در انرژي پیوندي285/0eV ثابت گردید و سایر پیک هاي مورد بحث در مقایسه باپیک کربن مورد بررسی قرار گرفته اند. پیک Na در سطح نمونهمربوط به مقدار جزئی سدیم باقی مانده در محلول تهیه شده جهت لایه نشانی می باشد. لازم به ذکر است پیک هاي بسیار کوچک - Trace - عناصر F, Al, K و Si مربوط به ناخالصی هاي موجود در زیر لایه میکا - Muscovite - است. شکل 4طیف پنجره W - 4f - را نشان می دهد. پیک هاي B وC در انرژيهاي پیوندي 35/8 eV و 37/96eV به ترتیب مربوط به جدایی اسپین مدار W+6 - 4f7/2 - و W+6 - 4f5/2 - است که نشان دهندهحضور پیوند WO3 بر روي سطع می باشد، که با مقدار گزارششده براي WO3 کاملا در توافق است.[9] همچنین پیک هاي AوD در انرژي هاي پیوندي 34/9eV و 37/6eV به ترتیب مربوط به قله هاي W - 4f7/2 - و W - 4f5/2 - که بیانگر تشکیل
