بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله به روش کندگی لیزر تپی Ce:Nd:YAG ، ساخت نانوذرات نیترید تیتانیوم - TiN - مورد بررسی قرار گرفت. قرص خالص - 99/% 99 - TiN در محیط تولوئن تثبیت شده و در معرض تابش تپی هماهنگ اصلی لیزر تپی Ce:Nd:YAG با طول موج 1064 نانومتر، با پهنای تپ 8 نانوثانیه و نرخ تکرار10 هرتز قرار داده شد. نانوذرات سنتزشده با روش های طیف سنجی جذب مرئی/ فرابنفش - UV-Visible - ، طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ - FTIR - ، طیف سنجی پراکندگی رامان، پراش سنجی پرتو ایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی عبوری - - TEM، مشخصه یابی شدند.
الگوهای پراش XRD و طیف های FTIR شکل گیری نانوذرات TiN در نمونه را تائید میکنند. یکی از مهمترین خواص نانوذرات TiN ، پلاسمونی بودن این نوع نانوذرات می باشد ولی طیفسنجی UV-Vis نشان داد که نانوذرات سنتز شده خاصیت پلاسمونی از خود بروز نمیدهند و مشخص شد عدم وجود قله پلاسمونی در طیف جذبی بخاطر شکل گیری هالهی ماتریس کربنی است که در نتیجه اندرکنش لیزر با پیوندهای هیدروکربنی موجود در تولوئن بوده و در نهایت این بافت های کربنی نانوذرات TiN را احاطه می کنند. طیف رامان نیز وجود هاله کربنی به صورت ماتریس گرافیتی روی نانوذرات را تایید کرد.
-1 مقدمه
نیترید فلزات واسطه برای برخی کاربردهای خاص در پلاسمونی به جای فلزات نجیب پیشنهاد شده اند. نیتریدهای فلزی - TiN, ZrN, HfN - موادی جدید از نظر خصلت پلاسمونی هستند. این مواد خواص پلاسمونی مشابه طلا دارند. این مواد دیرگداز بوده و خواص پلاسمونی آنها با استفاده از استوکیومتری نیتروژن/ فلز قابل تنظیم است و میتواند تغییر کند.[1] دیرگداز بودن به این معناست که این مواد میتوانند دماهای بالا را بدون ذوب شدن تحمل کنند.
این خاصیت مهم آنها را برای کاربردهایی مانند ثبت و ضبط مغناطیسی به کمک حرارت [2] و ترموفوتوولتایی سلول های خورشیدی [3] مناسب ساخته است. این مواد دارای خواص پلاسمونی در طول موجهای بلند ناحیه مرئی و فروسرخ نزدیک هستند.[ 3] نانوذرات نیترید تیتانیوم به صورت پودر با استفاده از نیتریداسیون تیتانیوم - Ti - یا دی اکسید تیتانیوم - TiO2 - در دماهای بالا تولید میشوند .[4] از دیگر روشهای تولید نانوذرات تیتانیوم نیترید میتوان به کندگی لیزری تیتانیوم یا دی اکسیدتیتانیوم، آلیاژهای مکانیکی و تکنیک پلاسمای مایکرویو اشاره کرد .
[5] روش کندگی لیزری پالسی در محیط مایع یکی از مهمترین روشهای دستیابی به مواد نانوساختاری در محیط مایع است. کندگی لیزری روشی نسبتا ساده، ارزان، موثر و زیست سازگار است. کنترل پارامترهایی مانند طولموج لیزری، انرژی تپ، نرخ تکرار، تعداد تپ ها و محیط مایع ساخت نانوذرات کلوئیدی با مشخصات مطلوب را، برای کاربردهای مختلف مناسب میسازد. تاکادا - Takada - و همکارانش نانوذرات نیترید تیتانیوم را در اندازهی 800 نانومتر به روش کندگی لیزری در محیط نیتروژن مایع ساختند. در این تحقیق سنتز نانوذرات نیترید تیتانیوم در محیط تولوئن با کندگی لیزری تپی انجام گرفته و به منظور مشخصهیابی نانوذرات کلوئیدی از طیف سنجی جذب مرئی/ فرابنفش - - UV-Vis ، طیف سنجی فروسرخ - FTIR - ، پراش اشعه ایکس - XRD - ، طیفسنجی پراکندگی رامان و تصویر TEM استفاده شد.
-2 مواد و روشها
برای ساخت نانوذرات نیترید تیتانیوم از تپ پایه 8 نانوثانیه لیزر Ce:Nd:YAG به طول موج 1064 نانومتر و فرکانس تکرار 10 هرتز استفاده شد. بدین منظور پودر نیترید تیتانیوم - Sgma-Aldrich با خلوص - 99/99 % تهیه و به روش تفجوشی پلاسما - Spark - Sintering Plasma به صورت قرص ساخته شد. برای این کار ابتدا 20 گرم پودر نیترید تیتانیوم را در یک پوشش کربنی قرار داده، سپس به طور همزمان تا دمای 2000 درجهی سلسیوس با نرخ 60 C/min تحت گرمادهی و فشار40 MP قرار گرفت. پس از گذشت مدت زمان 10 دقیقه، اعمال فشار متوقف و در مدت زمان 10 دقیقه دما به 300 درجه سلسیوس کاهش یافت. برای انجام فرآیند کندگی لیزری قرص نیترید تیتانیوم در یک بشر حاوی تولوئن قرار داده شد.
حجم تولوئن 7 میلی لیتر و ارتفاع آن روی هدف 5 میلیمتر تنظیم شد. پرتو لیزر با انرژی200 میلی ژول بر تپ توسط روی هدف متمرکز شده و هدف به مدت 10 دقیقه تحت تابش لیزری قرار داده شد. تصویر محلول نانوذرات در شکل 3-b نشان داده شده است. برای اندازه گیری طیف جذبی ذرات در محدوده UV-Vis از طیف سنج PG مدل T80 ، پراش اشعه ایکس نمونه ها با دستگاه XRD فیلیپس مدل Xpert، ساختارهای مولکولی نانوذرات نیز با استفاده از طیفسنج فروسرخ مدل NEXUS 670 FTIR در دمای اتاق مشخصهیابی شده است. طیف پراکندگی رامان نمونهها نیز با استفاده از طیف سنج رامان Thermo Nicolet Almega Dispersive Raman ثبت و ضبط شده است.
نتایج و بحث
در شکل 1 الگوی پراش پرتو X قرص نیترید تیتانیوم مورد استفاده و صفحات بلوری نانوذرات ساخته شده در حلال تولوئن نشان داده شده است.
الگوی پراش پرتو - a - X نانوذرات نیترید
تیتانیوم سنتز شده به روش کندگی لیزری - b - قرص نیترید تیتانیوم استفاده شده در این الگو سه قله پراش در 42.84œ، 49.89œ و 73.23œ متناظر با صفحات بلوری - 200 - ، - 111 - و - 220 - قرص TiN مشاهده میشود. موقعیت و شدت قلههای پراش در شکلa-1 نشاندهندهی شکلگیری نانوذرات نیترید تیتانیوم با ساختار FCC و ثابت شبکهی a= 0.0424 nm هستند.
طیف FTIR نانوذرات نیترید تیتانیوم.
طیف FTIR نانوذرات سنتز شده در شکل 2 نشان داده شده است. در این طیف نوار 3423 cm 1 به پیوند کششی - H-O-H - ناشی از رطوبت و بخار آب جذب شده اختصاص دارد.نوارهای 1603 cm 1 و 1 2960 cm به ترتیب متناظر با پیوندهای - C-C - مربوط به تولوئن و پیوند کششی - C-H - هستند. نوار - C-C - وجود ماتریس کربن گرافیتی را نشان میدهد. نوار مشاهده شده در 1030 cm 1 نیز به نانوذرات نیترید تیتانیوم اختصاص داشته و تاییدی بر حضور نانوذرات نیترید تیتانیوم است. شکل :3 طیف جذبی UV-Vis و محلول کلوئیدی نانوذرات نیترید تیتانیوم ساخته شده در حلال تولوئن به روش کندگی لیزری. در شکل 3 طیف جذبی UV-Vis نانوذرات نیترید تیتانیوم که در حلال تولوئن به روش کندگی لیزری ساخته شده اند، نشان داده شده است.
این طیف بر خلاف انتظار پیک تشدید پلاسمون سطحی مربوط به نانوذرات نیترید تیتانیوم در محدودهی فروسرخ وجود ندارد. عدم وجود قله پلاسمونی در طیف جذبی بخاطر شکل گیری هالهی ماتریس کربنی است که در نتیجه اندرکنش لیزر با پیوندهای کربنی موجود در تولوئن بوده که در دما و فشار بالای ایجاد شده توسط تپ های لیزری از هم گسسته شده و سپس بصورت ماتریس کربنی گرافیتی تغییر فاز داده و در نهایت این بافت های کربنی گرافیتی نانوذرات TiN را احاطه می کنند. این هاله های کربنی باعث حذف قله پلاسمونی در محدوده فروسرخ نزدیک طیف جذبی UV-Vis-NIR نانوذرات TiN می شود.
