بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به ساخت ساختارهاي ناهمگون نانولولههاي کربنی- دياکسیدتیتانیوم و بررسی خواص آنها میپردازیم . نانولوله هاي کربنی با استفاده از روش لایه نشانی بخار شیمیایی به کمک پلاسما رشد داده شده اند. دياکسیدتیتانیوم با استفاده از روش لایهنشانی بخارشیمیایی - CVD - و یا سنتز بخار شیمیایی - - CVS برروي نانولولههايکربنی لایهنشانی شده است، که در یکی نانوذره و در دیگري نانولایه دياکسیدتیتانیوم به دست آمد. دو نوع نانوساختار به دست آمده پاسخ متفاوتی به تست حسگري گاز از خود نشان دادند . این نانوساختارها با استفاده از آنالیزهاي پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفتند.
مقدمه
امروزه ، نانوذرات بهدلیل خواص ویژه و همچنین کاربرد هاي تکنولوژیکی فراوانی که دارند ، توجه بسیاري از پژوهشگران را به خود جلب کردهاند. در این میان ، نانوذرات و نانولایههاي دي اکسیدتیتانیوم بهدلیل خواص نوري ، الکتریکی و کاتالیستی عالی ، داراي کاربردهاي مهمی در صنایع مختلف می باشند. کاربرد و کارآیی TiO2 بهشدت تحت تأثیر ساختمان بلوري ، شکل و اندازة ذرات آن است . افزایش کاربرد نانوذرات و نانولایههاي TiO2 در زمینههاي کاتالیستی ، فوتوکاتالیستی و حسگرها ، نیاز به استفاده از روشهاي جدید براي سنتزآنها را تشدید نمودهاست.[1 2]
نانولولههايکربنی - CNTs - یکی از ساختارهاي کربن هستند که به دلیل ساختار الکترونی خاصشان در زمینههاي گوناگونی PACS No. 81.16. Be, 61.48 De, 81.15Gh, 07.07 Df چون حسگرها، ترانزیستورها، نمایشگرهاي گسیلمیدانی، کاربرد دارند .[3] ساختارهاي ناهمگون این دو نانوساختار میتواند خواص هر دوي این ساختارها راتوأماً داشته باشد و کاربردهاي بسیاري را براي این ساختارها میتوان در نظر گرفت. روشهاي متعددي براي رشد نانولولههايکربنی وجود دارد.
ما در این تحقیق از روش لایه-نشانی با بخارشیمیایی بهکمک پلاسما - - PECVD استفاده کرده ایم. در مرحله بعدي این نانوساختارها را در معرض لایهنشانی CVD یا CVS قرار خواهیم داد تا TiO2 به صورت لایه نازك یا نانوذرات بر روي آن لایهنشانی شود.[4] تا به حال، آزمایشهایی بر روي خاصیت فوتوکاتالیستی TiO2 و استفاده از TiO2 و ترکیبنانولولههايکربنی و دياکسیدتیتانیوم در ساخت حسگرها گزارش شدهاست.[5] در این مقاله بر روي بهبود عملکرد حسگرها با ساخت نانوساختارهاي ناهمگون CNTs/TiO2 متمرکز شدهایم.
روش انجام آزمایش
الف- ساخت ساختار
زیر لایه سیلیسوم - 100 - را با محلول آبدیونیزه ، آباکسیژنه ، آمونیاك به نسبتهاي 1:1:5 تمیز میکنیم. سپس توسط دستگاه لایهنشانی باریکه الکترونی لایهاي از نیکل به عنوان کاتالیست به ضخامت 6-10 نانومتر در فشار پایه 3×10-6 تور در دماي 250 ºC روي سیلیکون لایهنشانی میکنیم. نمونه را در دستگاه PECVD قرار داده و در فشار 10-3 تور و در حضور گاز هیدروژن با شار 100 sccm دما را تا 730 ºC افزایش میدهیم. سپس نمونه ها را در این دما به مدت 30 دقیقه گرمادهی میکنیم و پلاسماي هیدروژن را با توان 0/686وات بر سانتی متر مربع به مدت 5 دقیقه روشن میکنیم تا جزایر نانومتري نیکل روي سیلیکون تشکیل شود.
دما را مجدداً تا 830 ºC افزایش داده، سپس در این دما گاز استیلن را به عنوان منبع کربن با شار 45 sccm به کوره هدایت کرده و به مدت 60 دقیقه این کار را ادامه میدهیم، تا در این مرحله نانولولههايکربنی به صورت رشتهاي تولید شوند. نانولولههاي به دست آمده را در دستگاه لایهنشانیقرارTiO2 میدهیم. در شرایط لایهنشانی CVD دما را تا 140 ºC بالا میبریم ولی در شرایط لایهنشانی CVS دما را تا 200 ºC بالا میبریم تا فشار مورد نیاز براي تشکیل نانوذرات فراهم شود. گاز آرگون با شار 800 sccm داخل محلول TiCl4 شده و پس از عبور از بابلر بخارات TiCl4 را به داخل کوره میبرد.
ب- تست حسگري ساختار
در این مرحله از کار جهت تست حسگري ، با طراحی مداري خاص، مقاومت نمونه را قبل از حضور گاز و سپس در حضور 1000 ppm گاز اکسیژن که به صورت عمود به سطح آن وارد می شود اندازهگیري میکنیم. نمودار تغییرات مقاومت را بر حسب زمان رسم میکنیم. به منظور مقایسه، رفتار این آزمایش را با حسگرنانولولهکربنی بدون پوششی از TiO2 تکرار میکنیم.
نتایج آزمایش ها
نمونه اي از تصاویر میکروسکوپ الکترونی - SEM - نانولولههاي-کربنی رشد یافته به صورت رشتهاي در شکل1 آوردهشدهاست. شرایط انتخاب شدة رشد باعث رشد این چنینی نانولولهها است . نتایج حاصل از تصاویر میکروسکوپ الکترونی و پراشپرتو ایکس - XRD - نانوذرات TiO2 در شکلهاي2 و3 آمده است. پراشپرتوایکس تشکیل هر دو ساختمان بلوري آناتیس و روتایل TiO2 را نشان می دهد.. نانوذرات TiO2 در هر دو دما هر دو ساختمان بلوري را دارند. در این مرحله براي مشاهدة ساختمان بلوري TiO2 لایهنشانی بر روي شیشه وبا ضخامتساعت زیاد 1 - لایهنشانی - انجام شدهاست.
شرایط مختلف لایهنشانی TiO2 سبب ایجاد نانوذرات و یا نانولایه-هاي TiO2 می شود. در این روش فشار محفظه لایهنشانی و شار گازهاي ورودي براي تشکیل نانوذرات و یا نانولایههاي TiO2 بسیار حائز اهمیت است، زیرا تمام شرایط لایهنشانی در روش CVS شبیه به شرایط لایهنشانی در اینروش CVD است با تفاوت که در روش CVS فشار لایهنشانی بسیار بیشتر است. در واقع در روش CVS شرایط انجام واکنش باید بهگونهاي باشدکه ابتدا سنتز شیمیایی در محفظه اتفاق بیافتد و سپس محصولات واکنش بر روي زیر لایه قراربگیرد. شکل 4 تصاویر میکروسکوپ الکترونیساختار بهدست آمده از دو روش را نشان میدهد شکل.2 تصویر SEM مربوط به ساختمان بلوري TiO2 پس از 1 ساعت لایه-نشانی در دماي 250 ºCروي زیر لایه شیشه. گاز آرگون و گاز اکسیژن به ترتیب با شار1000 sccm و 500 sccm به داخل کوره هدایت شده است.
پارامتر هاي مؤثر در پاسخ حسگري ساختارها به گاز
در این مرحله با تغییر در پارامترهاي لایهنشانی نتایج متفاوتی را در آزمایش تست حسگري مشاهده کردهایم. یکی از پارامترهاي تأثیرگذار شرایط مختلف لایهنشانی است. شکل5 تغییرات مقاومت که با مقاومت اولیه - R0 - بهنجار شده و براي ارزیابی حساسیت حسگرها است، نشان میدهد که حساسیت ساختار بهدست آمده از روش CVD به گاز اکسیژن نسبت به نانولولههايکربنی بسیار بیشتر است. این در حالی است که ساختارهاي به دست آمده از روش لایهنشانی CVS این تفاوت بارز را نشانعلتنمیدهند.
این امر آنست که در شرایط لایهنشانیCVS نانوذرات TiO2 بر روي نانولولههايکربنی قرار میگیرند و در نتیجه ساختار ناهمگونی از این دو تشکیل نشده و ساختاري مرکب از نانولوله-هاي کربنی و TiO2 را داریم و در نتیجه بهبودي در حساسیت ساختار بهدست آمده نسبت به نانولولههاي کربنی مشاهده نمیکنیم. ولی در شرایط لایهنشانی CVD لایهاي از TiO2 بر روي نانولوله-هايکربنی قرار گرفته و ساختار ناهمگونی از این دو را ایجاد کردهاست. پارامتر تأثیرگذار دیگر مدت زمان لایهنشانی است که منجر به نتایج متفاوتی در پاسخ حسگري ساختارها شده است.
