بخشی از مقاله
چکیده
ساخت نانوسیمهاي اکسید ایندیوم با استفاده از روش تبخیر حرارتی و بدون استفاده از کاتالیست در یک کوره لوله افقی با موفقیت انجام شد. نانوسیمهاي رشد یافته داراي قطري حدود 75nm الی 150nm و طول چند میکرونی میباشند. مکانیسم رشد این نانوسیمها از طریق آنالیزهاي صورت گرفته مورد بحث قرار گرفت که دریافته شد، مکانیسم VS موجب رشد لبهاي نانوسیمها گردید. براي چیره شدن بر مشکلِ بالا بودن دماي تبخیر اکسید ایندیوم و نیاز به کورههاي با دماي بسیار بالا، این نانوسیمها در محیطی با خلأ نسبتاً پایین ساخته شدند.
مقدمه
تکامل پیوسته علوم و فناوري نانو در سالهاي اخیر منجر به تولید ساختارهاي شبه یک بعدي در گسترهاي از مورفولوژيهاي متنوع و مختلف مثل نانوسیمها، نانوسیم هاي به شکل پوسته مرکزي، ساختارهاي نانولولهاي، نانوتسمهها، ساختارهاي شاخه شاخه، نانومیلهها و نانوحلقهها شده است. در بین موادي که نانوساختارهاي مختلف آنها تولید شده اکسیدهاي فلزي به طور ویژه بیشتر مورد توجه بودهاند. نانوساختارهاي اکسیدي بخاطر ویژگیهاي بنیادي و کاربرد وسیعی که در ساخت قطعات الکترونیکی دارند، مورد توجه بسیار زیادي قرار گرفتهاند.
از میان آنها In2O3، با داشتن شکاف نوري حدود 3/6eV، داراي کاربردهاي مهمی در زمینههایی از قبیل گرمکننده پنجرهها، سلولهاي خورشیدي، سنسورهاي گازي، [1] است. اخیراً، نانوساختارهاي In2O3 بخاطر خواص نوین و کاربردهاي مناسبی که در زمینه حسگري گازها 3]و[2 و نانوترانزیستورها [4] دارند، توجه چشمگیري را به خود اختصاص دادهاند. علاقهمندي زیادي در سنتز و پژوهش در زمینه نانوساختار In2O3 به تازگی بوجود آمده است.
نانوساختارهاي مختلف In2O3 بوسیله روشهاي مختلفی بدست آمدهاند، تعدادي از آنها عبارتند از روش CVD 6]و[5، لیزر- پالسی [7]، تبخیر حرارتی ایندیوم و لایهنشانی آن بر روي زیرلایه [8] و روش تبخیر پودر اکسید. [9 ] در سالهاي گذشته، تعداد تکنیک هاي رشد به طور قابل توجهی افزایش یافتهاند. ما میتوانیم این مکانیسمهاي متفاوت را به چند رده مختلف طبقهبندي کنیم. اول روش هاي همراه با کاتالیست و دوم بدون کاتالیست و سپس میتوان تفاوتی بین رشد فاز محلول و بخار قائل شد. تا زمانی که اکسیدهاي فلزي مورد توجه هستند بهترین روش، فاز بخار است. اما تکنیک هاي رشد فاز محلول، یک فرآیند سنتزي منعطف با قیمتهاي پایینتر را مهیا میکنند. مکانیسمهاي رشد متفاوتی بر اساس حضور یک کاتالیست مثل VLS - جامد- مایع - بخار - ، SLS - جامد- مایع - محلول - و بدون کاتالیست، فرآیند VS - جامد- بخار - وجود دارند.
در این مقاله ساخت نانوسیمهاي اکسید ایندیوم با استفاده از روش تبخیر حرارتی و بدون استفاده از کاتالیست در یک کوره لوله افقی با موفقیت انجام پذیرفت. مکانیسم رشد این نانوسیمها از طریق آنالیزهاي صورت گرفته مورد بحث قرار گرفت که دریافته شد، مکانیسم VS موجب رشد لبهاي نانوسیمها شده است. براي حل مشکلِ بالا بودن دماي تبخیر اکسید ایندیوم و همچنین نیاز به کورههاي با دماي بسیار بالا، این نانوسیمها در محیطی با خلأ نسبتاً پایین ساخته شدند.
کار آزمایشگاهی:
در این آزمایش ماده مورد استفاده پودر اکسید ایندیوم است. در این آزمایش از زیرلایههایی استفاده شد که هیچ کاتالیستی بر روي آنها نشانده نشده بود. تعدادي زیرلایه سیلیکون نوع P که به مدت 20 دقیقه در دستگاه سونش در محلول الکل اتانول قرار گرفته، حدود 20 دقیقه در محلول آب دوبار تقطیر گذاشته میشوند. در ادامه زیرلایهها در محلهاي 20mm الی 60mm با فواصل 8 میلیمتري نسبت به بوته آلومینا که ماده اصلی رونشانی در آن قرار دارد، گذاشته میشوند. مقدار پودر مورد استفاده حدود 0/025gr در بوته آلومینا در مرکز لوله قرار میگیرد.
آنالیز ساختاري و سطحی:
در شکل 2 تصویر FESEM نمونهها دیده میشود. در این شکل همچنانکه دیده میشود نانوسیمهایی با قطر 75nm الی nm 150 و طولی بیش از چند میکرون وجود دارند. معمولاً در روشهاي این چنینی مکانیسم رشد بنام VS نامیده میشود. در روش با حضور کاتالیست واضح و روشن میباشد که نانوذره کاتالیستی در سر نانوساختار سوزنی بوضوح قابل رویت است. اما در این نانوسیمها چنین چیزي وجود ندارد. نانوسیمها بعلت عدم وجود کاتالیست در جهتی غیر کنترلی رشد کردهاند.
دیده میشود که ساختارها سوزنی شدیداً از هر نقطهاي شروع به رشد کردند که این علت باعث میگردد که چنین ساختار درهم فرورفته و در هم تنیدهاي حاصل شود. در این روش محلهاي هستهسازي به علت استفاده از مکانیسم VS توسط خود ذرات بخار اکسید ایندیوم ایجاد شدند. در این شیوه نیاز به کاتالیست خارجی نیست. خود اتمهاي اکسید ایندیوم به شکل کاملاً جالبی این محلهاي هستهسازي را تأمین کرده و باعث تشکیل این ساختارها میشوند.
نکته جالب توجه اینجاست که، تشکیل نانوساختارهاي شدیداً بلوري در جهتی اتفاق افتاده که عمدتاً تشکیل ساختارهاي اکسید ایندیوم در این راستا ضعیف میباشد. میتوان عدم وجود کاتالیست را باعث ایجاد ساختارها در راستایی غیر کنترلی مرتبط دانست. نانوساختارهاي ایجاد شده در این آزمایش در امتدادي بلوري شدهاند که کاملاً دلخواه و تصادفی است. با توجه به مرجع [8] ثابت سلولی این نانوساختارهاي ایجاد شده a=1/012nm مطابق - JCPDS No.0416-6 - میباشد.
مکانیسم رشد:
دو مدل براي توصیف مکانیسم رشد مواد یک بعدي وجود دارد. مدلی که مرتبط با این بخش است، مکانیسم رشد پیچشی متداول است که بر وجود یک دررفتگی چرخشی، که امتدادش موازي محور سیم یا میله است، تأکید دارد. در این مدل صفحه چرخش عمود بر خط دررفتگی باعث بوجود آمدن گام رشد شده و به عنوان محلی که داراي انرژي پایین است، عمل میکند. وقتی که رشد نانوسیمها از طریق چگالش مستقیم فاز بخار بدون استفاده از کاتالیست محقق شود، روش رشد مورد استفاده بنام VS خوانده میشود. این روش را گاهاً خودکاتالیست هم مینامند.
