بخشی از مقاله
چکیده
دراین تحقیق, نانو ساختارهاي ZnO به روش کربوترمال ساخته شدند.لایه نازکی از فلز طلا به عنوان کاتالیست, روي زیرلایه هاي سیلیکون پوشش داده شد.با تغییر در شرائط حاکم بر ساخت, تاثیر هر کدام از این عوامل روي شکل گیري نانو ساختارها مورد بررسی قرار گرفت.به این ترتیب مشاهده شد که, قطر نانوسیمها و بلندي آنها وچگالی نانوسیم ها تحت شرائط حاکم بر ساخت متفاوت بوده, و باکنترل این پارامترها می توان نانو سیم ها را به نحو دلخواه تولید کرد.
مقدمه
اکسیدروي یک نیمه هادي نوعn ,باگاف انرژي مستقیم وبزرگ - - 3,3eV بوده که باعث کاربرد این ماده در LEDوحسگرها می شود.همچنین به خاطرانرژي بستگی بالا - حدودmeVکه - 60 دوبرابر بزرگترازانرژي گرمایی دردماي اتاق است, به عنوان دیودهاي لیزرفرابنفش کاربرددارد.از طرفی به دلیل تقارن غیر مرکزي, داراي خاصیت پیزوالکتریکی می باشد, وبه عنوان ماده هادي شفاف نیز کاربرد دارد,ودر نهایت ماده اي زیست سازگاراست.[1] براي ساخت نانوساختارها روشهاي مختلفی گزارش شده است.در این پژوهش ما از یک روش ساده تبخیر فیزیکی استفاده کردیم,وارفلز طلا به عنوان کاتالیست وگاز ازت به عنوان گاز حامل استفاده کردیم. باسنتز نمونه ها در شرائط مختلفتاثیر عواملی همچون دماي لایه نشانی,ضخامت لایه کاتالیستی واستفاده از سطح صیقلی سیلیکون مورد بررسی قرار گرفت. با تبخیر مخلوطی ازZnO وگرافیت می توان آرایه منظمی از نانو سیم هاي عمود ZnO را روي بستري که از لحاظ بلوري با ZnO متناسب باشد نشاند.با تغییردر شرائط سنتز نمونه ها, مشخص شد که عواملی چون دماي لایه نشانی وضخامت لایه کاتالیستی بر شکل نانو سیم ها تاثیر مستقیمی دارد.سیستم حاکم بر این فرآیند رشد کاملا واضح نیست.طی این فرآیند کربو ترمال, تبخیر ZnOوجداشدن ZnوOوسپس دوباره اکسید شدن Zn سبب ایجاد نانو ساختارهاي ZnO می شود که این فرآیندي پیچیده بوده وعوامل مختلف بر نحوه انجام آن تاثیر می گذارد.
مراحل تجربی
در این پژوهش, پس از مراحل شستشوي زیرلایه هاي سیلیکونی ولایه نشانی طلا بر روي آن ها وپخت آن ها, پودر گرافیت و اکسیدروي باوزنهاي برابر در مرکز کوره به دماي 1000°С قرارداده شدوزیرلایه در دماي کمتر مدتاز900 °С به یک ساعت تحت عملیات حرارتی قرار گرفت. گاز ازت نیزکه میزان آن حدودا 100 sccmبوداز سمتی که پودر قرار داده شده بود, جریان یافت. به منظور بررسی فازي ساختارهاي حاصل ,از دستگاه پراش اشعه ایکس - XRD - استفاده شد,سپس براي بررسی مورفولوژي - ریخت شناسی - سطح ساخته شده ,از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - استفاده شد.
بحث ونتایج
تاثیر دماي لایه نشانی به منظور مشاهده تاثیر دماي لایه نشانی, نانو سیم ها با ثابت نگه داشتن سایر شرائط حاکم,در سه دماي متفاوت رشد داده شدند.این تغییر دما با تغییر در فاصله زیر لایه از مرکز کوره ایجاد شد.دماي بالاتر باعث بوجود آمدن قطره طلا-روي کوچکتر وچگالتر می شود ,که این باعث رشد نانو سیم هاي نازك تر وچگال تر بر روي این ریز دانه ها می شود,با کاهش دما سیم ها پهن تر و کوتاه تر می شوند. شکل 1 نانو سیم هاي رشد یافته در شرائط یکسان برروي سیلیکون داراي 10 نانومتر روکش طلا را نشان می دهد که تنها تفاوت آنها در دماي لایه نشانی است. تصویر - 1 - bنمونه اي رانشان میدهد که در دماي حدودا °С ٠۵٨ قرارداشته است وبا توجه به شکل می بینیم که سیمها به خوبی رشد کرده اند, وداراي قطر کمی هستند, وچگالی سیم ها نیز زیاد است. دردماي کمتر - کمتراز °С٨٠٠ - نمونه 1 - c - نشان دهنده این موضوع است که نانو سیم ها کوتاه تر و ضخیم تر شده اند و چگالی سیم ها نیز کاهش یافته است.
واین برتري دماي بالاتر, براي رشد مطلوب تر نانو سیم ها را نشان می دهد .البته در دماي بسیار بالا - بیشتراز°С ٩٠٠ - نمونه 1 - a - گویاي این موضوع است که ,این برتري نسبی است وبراي آن یک دماي خاص وجود دارد.در واقع با دور شدن از چشمه ابتدا افزایش سرعت رشد و سپس کاهش آن را شاهدیم. بسته به شرائط حاکم بر رشد نانو ساختارها دماي ارجحی وجود دارد, که رشد نانو سیم ها در آن دما با بهترین کیفیت صورت می گیرد,ودر دماي بالاتر از آن ماده بیشتر در حالت بخار باقی می ماند ,و میل کمی به متراکم شدن دارد.
زبرداراي 10نانومترروکش طلا . تاثیر ضخامت لایه کاتالیستی قبل از بررسی تاثیر ضخامت لایه کاتالیستی, تاثیر وجود لایه کاتالیستی را,روي رشدنانو سیممنظورهابررسی کردیم.به این نمونه اي مشابه موارد قبلی, تحت عملیات حرارتی قرار گرفت , با این تفاوت که این بارروي زیرلایه, طلا نشانده نشد. دلیل استفاده از کاتالیست فلزي, تفاوت ساختاري بینZnOوSi است وکاتالیستی که ازلحاظ ساختاري بیشتر با ZnO هماهنگ باشد از طریق جزیره بندي منظم روي سطح سیلیکون به عنوان پایه اي براي رشد نانوسیمهاعمل می کند.هر چند که تاکنون این فرآیند بدون کاتالیست, براي رشد نانولوله هاي نا منظم مورد استفاده قرار گرفته است2]و.[3
با توجه به شکل 2مشاهده می شود که عمل جزیره بندي کاتالیست روي زیر لایه ,که موجب رشد آرایه منظمی از نانو سیم ها می شد, در این مرحله حذف شده ,وفقط در بعضی نقاط زیر لایه , نانوذرات ZnO به شکل اتفاقی قرار گرفته اند, که خود پایه اي براي رشد سیم هاي ZnO شده اند واین سیم ها روي پایه نانو ذرات ZnOدر هر جهت ونه به شکل عمود بر سطح رشد کرده اند,و سایر نقاط سیلیکون خالی ازدر ZnO است.در ضمن این تصویر به وضوح ساختار شش وجهی اکسیدروي مشاهده می شود. به منظور بررسی اثر ضخامت لایه کاتالیستی روي رشد نانو سیم ها سه زیر لایه با ضخامت هاي 10و20و30 نانو متر از طلا لایه نشانی شدند ومراحل رشد تحت شرائط مشابه شکلانجام شد.
1 - b - لایه داراي 10 نانومتر طلا وشکهايل - 3 - aو - 3 - b زیرلایه داراي 20 و30 نانومتر طلا را نشان می دهد. تصاویر نشان دهنده رشد نانو سیم هاي نازك تر و چگال تر روي زیر لایه با 10 نانومتر کاتالیست - شکل - 1 - b - هستند, در مقایسه با نمونه اي که 20 نانومتر کاتالیست دارد - شکل - . - 3 - aقطر سیم ها متناسب با ابعاد ریز دانه هاي کاتالیست می باشد که طی عملیات پخت شکل گرفته اند. جزیره هاي کوچک تر کاتالیست, باعث شکل گیري جزیره هاي پر تراکم تري می شود. با توجه به نمونه اي که داراي 30 نانو متر طلاست - شکل - - 3 - b مشخص است که در این مورد سیم ها بسیار کوتاه و ضخیم هستند.
در واقع ,ضخامت بالاي کاتالیست کمتر اجازه جزیره بندي به آن می دهد, و این لایه طلا به شکل لایه نازکی تمام سطح زیرلایه را پوشانده, و مانند این است که ZnO روي زیر لایه طلا نشسته ونه روي سیلیکونی که داراي جزیره هایی از طلاست. تاثیر استفاده از سطح زبر یا صیقلی سیلیکون در همه نمونه هاي سنتز شده, ابتدا کاتالیست طی عمل پخت روي سیلیکون زبر جزیره بندي منظم ویکنواختی رادرتمام سطح ایجاد می کرد, واین سبب رشد نانو سیم هاي منظمی در سرتاسر نمونه می شد,چرا که زبري سطح سیلیکون , بر جزیره بندي منظم طلا روي همه سطح تاثیر می گذارد.براي مشاهده تاثیر این زبري , این بار بر خلاف نمونه هاي قبلی ,از سطح صیقلی سیلیکون براي رشد نانو ساختارها استفادهتصاویرشد.شکل 4 مربوط به این نمونه رادر بزرگ نمایی هاي مختلف نشان می دهد.شکل 4 بیان گر این مطلب است که, دیگر تمام سطح مثل نمونه هاي قبلی جزیره بندي نکرده است واین به دلیل فقدان زبري
