بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق نانوذرات آلیاژی Co-ZnO با ناخالصی های متفاوت با پیش ماده های جدید با روش همرسوبی ساخته شدند. به منظور تعیین خواص بلوری، اپتیکی و موفولوژیکی از نمونه ها آنالیز های XRD,TEM,FTIR,UV-DRS گرفته شد. نتایج ساختاری XRD نشان داد که نمونه های خالص و به همراه ناخالصی دارای ساختار هگزاگونال هستند. همچنین نتایج آنالیز FESEM حاکی از یکنواختی نانوذرات می باشد، بطوریکه با افزایش ناخالصی کبالت از میزان یکنواختی آنها کاسته می شود.
نتایج آنالیز TEM نشان دادند که نانوذرات با ناخالصی 5% بصورت شبه کروی در اندازه 55nm تشکیل می شوند. نتایج آنالیز FTIR حاکی از قله جذب بسیار شدیدی در عدد موج 434cm-1، متعلق به پیوند ارتعاشی Zn-O می باشد . همچنین قله جذب ایجاد شده در عدد موج 3434cm-1 مربوط به فعالسازی رادیکالهای OH می باشد که با افزودن ناخالصی مقدار جذب آن افزایش می یابد و در نتیجه باعث افزایش فعالیت فتوکاتالیستی در این نمونه می شود. آنالیز اپتیکی UV-DRS، نشان داد که با وجود ناخالصی کبالت گاف نواری تا 2/88eV در نمونه با ناخالصی 10% کاهش می یابد.
مقدمه
نانوذرات اکسید روی - ZnO - یکی از مهمترین نیمرسانا ها است که در زمینه های قطعات اپتیکی و الکترونیکی بیشترین کاربردها را به خود اختصاص داده است. اخیرا سنتز نانوذراتی متشکل از اکسیدهای فلزات واسطه، در سالهای اخیر، علایق زیادی را به خود جلب کرده اند .[3-1] به تازگی نانوذرات ZnO توسط گروه ما با روشهای شیمیایی در آزمایشگاه ساخته شده اند .[6-4] تحقیقات نشان می دهد که آلایش اکسید روی با فلزات واسطه مورد توجه بیشتری قرار گرفته است، زیرا توسعه و بهبود ویژگی های الکتریکی، اپتیکی، ترموالکتریکی و مغناطیسی بخصوص خاصیت فرومغناطیسی آنها در دمای اتاق زمینه ی کاربری انها در آشکارسازها، سنسورهای با حساسیت بالا، تجهیزات اپتیکی وسلول های خورشیدی را مهیا تر می کند.
روش ساخت
نانوذرات ZnO خالص و آلیاژی Co-doped ZnO با روش همرسوبی ساخته شدند. برای ساخت نمونه خالص ابتدا، پیش ماده های سولفات روی و کلرید کبالت را در 50mL آب خالص بصورت 1M توسط همزن مغناطیسی در دمای اتاق حل شدند. پس از گذشت 10 دقیقه، پایدارسازهای NaBH4 و CTAB بصورت محلول در آب حل شدند و دمای محلول تا 80 oC افزایش داده شد واجازه داده شد تا محلول به طور کامل خشک شود.
پس از آن به منظور حذف ناخالصی ها، پودر نمونه های حاصل را چندین بار با آب و اتانول شستشو داده و در نهایت در آون در دمای 100oC خشک شدند. برای ساخت نمونه ناخالص درصد های مولی 5% و %10 از کبالت را به محلول روی اضافه کرده و مشابه روش ساخت نمونه خالص، پس از خالص سازی و خشک شدن نمونه های پودری در دمای 600oC برای مدت 4h تحت عملیات گرمایی قرار گرفتند. برای مطالعه نمونه ها، خواص ساختاری، اپتیکی و مورفولوژیکی نانوذرات مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتند.
نتایج و بحث
FESEM, TEM, FTIR, UV-DRS دمای اتاق است. گزارشات متعددی در زمینه ی دوپ فلزاتی از قبیلNi, Fe Mn, Co درون ZnO منتشر شده است .[9-7] روشهای متعددی برای ساخت این نانوذرات از قبیل همرسوبی، سل ژل، هیدروترمال و ... گزارش شده است 10]و.[11 از بین روش های مختلف سنتز و ساخت این نانوکامپوزیتها با روش همرسوبی در مقایسه با سایر روشها دارای سنتز آسانتر و از نظر اقتصادی به صرفه تر است، مهم تر آنکه غلظت پیش ماده ها، زمان واکنش آنها، دما و همگن بودن محصولات به دقت قابل کنترل است.
[12] از بین فلزات واسطه نیز کبالت کاندید بهتری برای آلایش با این نانوذرات است، چرا که شعاع یونی Co2+ بسیار نزدیک به شعاع یونی zn2+ است که باعث می شود یونهای دوپ شده درون ماتریس میزبان به طور همگن جایگزین شوند بدون آنکه ساختارکریستالی آن را تغییر دهد و یا فازهای ثانویه یا ساختار خوشه ای تشکیل دهند. در این کار تحقیقی نانوذرات خالص ZnO و آلیاژی Co/ZnO با روش همرسوبی ساخته شده اند و ویژگی های ساختاری، مورفولوژیکی و اپتیکی آنها با آنالیزهای XRD مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته اند.
شکل 1 نتایج آنالیز XRD نمونه های خالص و نمونه های 5% و 10% ناخالصی Co را نشان می دهد. نمونه ها در دمای 600oC برای مدت 4h گرمادهی شدند. قله های بوجود آمده نشانگر ساختار هگزاگونال ZnO در نمونه ها می باشند. هیچ اثری از قله های ناخالصی ZnO در طیف اشعه X دیده نمی شود که این حاکی از نفوذ یونهای Co در ماتریس ZnO می باشد. اندازه نانوذرات با استفاده از رابطه شرر بدست می آید.
[13] نتایج حاکی از آنست که با افزایش ناخالصی Co اندازه ذرات از 62nm برای نمونه ی ZnO خالص به 40 nm برای نمونه با ناخالصی 10% کاهش می یابد. علت کاهش اندازه ذرات با افزایش ناخالصی Co، این است که چون شعاع یونی - 0.58AR - Co+2 از شعاع یونی - 0.6AR - Zn+2 کمتر است، یون اتمهای Co در ماتریس Zn جایگزین شده و باعث کاهش اندازه نانوذرات می شود .[6] شکل 2، مورفولوژی سطح و تصاویر FESEM نانوذرات خالص ZnO و ناخالص Co-ZnO با ناخالصی % 5 را نشان می دهد.
همان گونه که از شکل مشخص است با اضافه کردن کبالت اندازه نانوذرات کاهش مییابد. در حقیقت با کاهش اندازه، نیروهای بین اتمی و مولکولی افزایش می یابد و نیروی جاذبه افزایش می یابند و بنابراین نانوذرات تمایل بیشتری برای نزدیک شدن به یکدیگر پیدا می کنند و این منجر به کلوخه ای شدن آنها می شود. اندازه میانگین محاسبه شده برای نانوذرات خالص 62nm و برای نانوذرات ناخالص 5%، 56nm اندازه گیری شد که در توافق با گزارشات XRD می باشد.
برای تعیین گروه های عاملی و پیوند های ارتعاشی نمونه از آنالیز طیف عبوری مادون قرمز FTIR استفاده شد. شکل 3، میزان عبور از نمونه ناخالص بر حسب عدد موج را نشان می دهد. مطابق شکل قله های ایجاد شده در عدد موجهای 3434cm-1 و 3424cm-1 مربوط به پیوند ارتعاشی O-H گروه الکل می باشد. قله جذب بسیار شدیدی در محدوده عدد موج 537-434cm-1 مربوط به گروه Zn-O می باشد.
