مقاله ساخت و مشخصه یابی خواص نوری نانوترکیب Fe3O4/CdTe

بخشی از مقاله

چکیده

 در این تحقیق نانو ترکیب مغناطیسی- نورتاب هسته/پوسته Fe3O4/CdTe ساخته شد و برای بررسی ساختار بلوری این مواد از آزمون پراش اشعه ایکس استفاده گردید. تحلیل دقیقتر، داده ها با نرم افزار MAUD، که بر اساس روش ریتولد طراحی شده است، پالایش شد. برای ایجاد پوسته نورتاب، نیاز بود چند مرتبه پیرامون هسته مغناطیسی با عوامل مختلفی پوشش داده شود. ابتدا نانو ذرات مغناطیسی با اسید سیتریک پوشانده شد، سپس روی این مجموعه یک لایه سیلیکا رشد داده شد.

برای تایید کمی این رهیافت از آزمون طیفسنجی فروسرخ تبدیل فوریه کمک گرفته شد. در نهایت طیف جذبی نانو ترکیب حاصل در ناحیه فرابنفش و مرئی و طیف نورتابی آن اندازه گیری شد. نتایج وجود فرینه های کادمیوم تلوراید را در دو طیفها تایید کردند.

کلید واژه- طیف سنجی جذبی فرابنفش- مرئی؛ طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه؛ مگنتایت/کادمیوم تلوراید؛ نانو ترکیب مغناطیسی- نورتاب؛ نورتابی همزمان؛

-1 مقدمه

با بوجود آمدن نانو ترکیب ها، دنیای نانو وارد فاز جدیدی شد. این مواد نه تنها سبب بهبود عملکرد نانو ذرات شده-اند، که حتی عملکرد جدیدی را نیز به آنها اضافه کرده اند. نانو ذرات هسته- پوسته مثالی از نانو ترکیب ها میباشند. هنگامی که هسته را مغناطیسی و پوسته را نیمرسانا انتخاب کنیم، نانو ترکیب حاصل به طور همزمان خاصیت مغناطیسی و نورتابی را از خود بروز میدهد. دستیابی به چنین ترکیبی از دو جهت قابل توجه میباشد.

نخست اینکه نانو ذرات مغناطیسی از قبیل مگنتایت، نیکل و کبالت، مغناطش اشباع بالایی دارند و اگر اندازه آنها به میزان کافی کوچک باشد، خاصیت ابرپارامغناطیس از خود بروز میدهند. به عبارت دیگر در این دسته از نانو مواد، با حذف میدان مغناطیسی خارجی، پسماند مغناطیسی نخواهیم داشت. خاصیت ابرپارامغناطیس از کوچک بودن زمان واهلش نیل در ذرات تک حوزه به جهت فزونی یافتن انرژی گرمایی بر انرژی ناهمسانگردی شان نشات میگیرد.

اگر سطح این نانو ذرات را به طور مناسب پوشش دهیم، نه تنها از توده ای شدنشان در محیط مورد نظر جلوگیری میکنیم، بلکه با اعمال میدان مغناطیسی میتوانیم آنها را دستورزی یا وارسی نماییم. دومین نکته قابل توجه در خاصیت نورتابی نانو ذرات نیمرسانا می-باشند . در این دسته نانو مواد کاف انرژی با تغییر اندازه ذرات تغییر میکند. به علت اثر محدود شدگی کوانتومی الکترون های بر انگیخته شده از نوار ظرفیت به نوار رسانش رفته و همچنین حفره های ایجاد شده - توسط فرود یک فوتون با انرژی کافی به نانو ذره - ، دارای ترازهای انرژی گسسته ای میباشند.

در نیم رسانای با کاف مستقیم کمینه انرژی مورد نیاز برای برانگیخته شدن الکترون توسط یک فوتون، بدون نیاز به برهمکنش الکترون فونون، برابر کاف انرژی است. بنابراین میتوانیم با تغییر در نوع توزیع و مکان بیشینه آن، نورتابی را دستورزی نمود. با بروز چنین خاصیتهایی، این دو نوع نانو ذره در زمینههای مختلف بیولوژی، پزشکی، مهندسی، فیزیک و شیمی کاربردهای فراوانی پیدا کرده اند1]و.[2

با اینکه از اولین تولید نانو ترکیب های هسته- پوسته مغناطیسی- نورتاب، کمتر از یک دهه میگذرد و هنوز پیرامون دانش بنیادی این دسته نانو ترکیبات اطلاعات
 کافی در دست نیست و جنبه های بسیاری از آنها ناشناخته مانده است، این مواد کاربردهایی در زمینه هایی چون جداسازی و نشاندار کردن همزمان یاخته های زنده، افزایش وضوح تصویر برداری تشدید مغناطیسی - MRI - به همراه تشخیص نوری، چاپ کدهای امنیتی و ... [3] پیدا کردهاند.

-2 ساخت نانو ترکیب Fe3O4/CdTe

ابتدا نانو ذرات مگنتایت را از روش همرسوبی ساختیم [4] و برای دستیابی به تفرق مناسب نانو ذرات در محیط آبی، پیرامون آنها را با اسید سیتریک پوشاندیم.[5] پس از دستیابی به کلوییدی پایدار به رنگ قهوهای روشن، از روش سل- ژل اقدام به رشد پوشش سیلیکایی - SiO2 - پیرامون نانو ذرات مغناطیسی کردیم.[6] بسته به میزان ضخامت سیلیکا، پایداری کلویید بدست آمده در محدوده چند ساعت تا چندین هفته بود. از طرفی نانو ذرات نیمرسانای کادمیوم تلوراید از روش آبی- گرمایی تهیه شد.[7]

برای رسیدن به تفرق کافی در محیط آبی و نیز جلوگیری از کلوخهای شدنشان که به طور مستقیم در طیف نورتابی آنها تاثیرگذار است از تیوگلیکولیک اسید - TGA - به عنوان فراهم آورنده پایداری کلویید و نانو ذرات استفاده کردیم. جهت رشد و افزایش اندازه نقاط کوانتومی به مدت چهار ساعت حرارت دهی نمودیم . برای ایجاد پیوند بین گروه تیول تیوگلیکولیک اسید با نانو ذراتی که با سیلیکا پوشانده بودیم، پیرامون این نانو ذرات را با 3متوکسیسیل- 1پروپنتیول فعال کردیم. در نهایت در یک محیط بازی نانو ذرات با یکدیگر ترکیب شدند؛ نقاط کوانتومی نارنجی رنگ دور نانو ذرات مغناطیسی نشستند و آنها را با آهنربا جدا کردیم. شکل 1 ماده بدست آمده را نشان میدهد.

-3 نتایج

-1-3  پراش پرتو ایکس

برای بررسی بلورشناسی پودر خشک شده نانو ذرات مگنتایت و کادمیوم تلوراید از آزمون پراش پرتو ایکس استفاده شد. این آزمونها از طریق دستگاه شرکت فیلیپس و با منبع تابش Cu-K تهیه گردیده اند. تحلیل الگوهای پراش از روش ریتولد و با استفاده از نرمافزار MAUD صورت گرفت.[8]در این نرمافزار ابتدا پارامترهای عامل مقیاس، ضرایب شبکه، نقطه صفر دستگاه، جابجایی و شفافیت نمونه، مختصات کسری اتمها و ضرایب مربوط به جابجایی گرمایی اتمها را پالایش شد، سپس پارامترهای مربوط به ریز ساختار را بدست آوردیم.

پالایش داده ها با این فرض انجام شد که پهن شدگی خطوط پراش، ناهمسانگرد باشند. شکل2الف الگوی پراش برای نانو ذرات مگنتایت را نشان میدهد. قلهها تایید کننده فاز اسپینل معکوس است. شکل2ب و ج بلورک و ساختمان اتمی مگنتایت را نشان میدهد که بر پایه مدل ناهمگن کرنش- اندازه توسط نرمافزار مدلسازی شده است. کره-های سفید اتمهای آهن و کرههای آبی اتمهای اکسیژن هستند.

در شکل نیز D-Spacing، اندازه بلورکها و کرنش برای اندیسهای مختلف میلر نشان داده شده است. شکل 3 الگوی پراش برای نانو ذرات کادمیوم تلوراید را نشان میدهد. الگوی پراش فاز زینک بلند را تایید می-کند. شکل 3 ب و ج مدل بلورک و ساختار شبکه این ماده است. شکل 3د D-Spacing، اندازه بلورکها و کرنش را برای اندیسهای مختلف میلر در کادمیوم تلوراید نشان داده شده است.

-2-3 طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه

برای انجام طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه - FTIR - از دستگاه طیف سنج Nicolt 670 nexus استفاده کردیم. در شکل4الف- ج تبدیل فوریه طیف فروسرخ اسید سیتریک، مگنتایت قبل از پوششدهی و پس از پوششدهی با اسید سیتریک را مشاهده مینمایید. طیفها در بازه عدد موج4000-400cm-1 است. فرینه 3450cm-1 مربوط به گروه OH و در اثر مولکولهای آب و اسیدسیتریک است.

فرینه 1700cm-1 نوسانات طولی متقارن پیوند C=O گروه COOH است که در شکل4ج به 1600 cm-1 انتقال یافته است. این انتقال به سبب ایجاد پیوند بین رادیکال COOH+ با سطح مگنتایت ایجاد شده است. دیگر مقدار فرینه در    1400 مربوط به نوسانات طولی نامتقارن C=O گروه COOH در اسیدسیتریک میباشد. فرینه cm-580 1 مربوط به نوسان خمشی و فرینه 400 cm-1 مربوط به نوسان طولی پیوند Fe-O در مگنتایت است.

شکل تبدیل فوریه طیف فروسرخ مگنتایت، پوشانده شده با سیلیکا را نشان میدهد. فرینه 1080 cm-1 مربوط به نوسانات طولی O=Si=O، فرینه 950 cm-1 مربوط به نوسانات طولی Si با OH اسیدسیتریک است که موید پوشانیده شدن نانو ذرات با سیلیکا میباشد. فرینه cm-1 800 مربوط به مد خمشی Si=O و در نهایت فرینه cm-1 460 مربوط به اعوجاج خارج از صفحه آن است.

-3-3 طیفسنجی جذبی در ناحیه UV-Vis

طیف جذبی در ناحیه مرئی فرابنفش برای نانو ذرات کادمیوم تلوراید و نانو ترکیب Fe3O4/CdTe در شکل 5 آورده شده است. این نمودارها توسط دستگاه PG Instruments T80 آستانه جذب برای کادمیوم تلوراید از 600 nm شروع میشود. در نانو ترکیب تهیه شده، در تمام نواحی جذب وجود دارد با اینحال رفتار جذبی در هر دو نمونه یکسان است.

-4-3 نورتابی همزمان

برای بررسی طیف نورتابی همزمان - SPL - از طیف سنج Gilden Photonics استفاده کردیم. نتایج این آزمون در شکل 6 قابل مشاهده است. شکل6الف. نورتابی را برای نانو ذرات کادمیوم تلوراید نشان میدهد. قله نورتابی در nm 580 و با پهنایی در حدود 30 nm قرار دارد. شکل6ب. نور تابی مگنتایت پوشانده شده با سیلیکا را نشان میدهد.

گستره نورتابی از 500-850 nm قرار دارد و قلههایی در 825 nm،765،670،630 دارد. در نهایت شکل6ج. نورتابی را برای نانو ترکیب Fe3O4/CdTe نشان میدهد. نورتابی این نانو ترکیب در محدوده 350-750 nm است و قله-هایی در 425 nm،470، 525 و همچنین یک قله در nm 580، قله نورتابی کادمیوم تلوراید، دارد.

 نانو ترکیب مغناطیسی- نورتاب - الف - توسط آهنربا جذب شدند و پس از سپری شدن زمان کافی برای ته نشینی در سیال حامل، سیال حامل - ج - و نانو ترکیب ته نشین شده - د - را در معرض نور دستگاه طیف سنج PL قرار دادیم.