بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله روشی جدید به منظور ساخت نانوصفحات اکسید روي-منگنز - ZnO-Mn - به روش شیمیایی مرطوب ارائه شد که در آن ازZn - No3 - 2.6H2o و Mn - No3 - 2.4H2o جهت ساخت این نانوساختارها استفاده گردید. همچنین ویژگیهاي فیزیکی و شیمایی نانوساختار ZnO خالص و آلائیده شده با 10 درصد مولی منگنز به عنوان ناخالصی مورد مطالعه قرار گرفت. جهت مشخصهیابی نانوصفحات ZnO-Mn از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، پراش اشعه ایکس - XRD - ، طیف سنجی نوري فرابنفش-مرئی - UV-Vis - و طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه - FT-IR - استفاده شده است.
مشخص شد که شکلگیري نانوصفحات ZnO-Mn به درصد وزنی منگنز افزوده شده بستگی بسیار زیادي دارد. نتایج نشان دادند که نسبت منگنز افزوده شده از عوامل بسیار موثر بر هندسهي نهایی نانوساختارها است. تصاویر SEM اثر ناخالصی منگنز را بر چگونگی تغییر شکل نانوساختارها به خوبی نمایش میدهند. نتایج حاکی از آن است که ساختار میلهاي ZnO خالص با افزودن ناخالصی منگنز به وضوح تغییر شکل داده و ساختار صفحهايپیدا میکند.
مقدمه
نانوصفحات و نانوسیمها بهعلت حساسیت شیمیایی و رسانش امروزه نانوساختارهاي تک بعدي همچون نانوسیمها، الکتریکی بالا براي ساخت دستگاههاي الکتریکی نانو مقیاس مورد نانومیلهها، نانوروبانها و نانوصفحات به دلیل دارا بودن خواص توجه قرار گرفتهاند .[3] اکسید روي یکی از اعضاي مهم خانواده گرمایی، اپتیکی و کاتالیستی منحصربهفرد، توجه ویژهاي را در نیمه رساناي II-VI با شکاف انرژي مستقیم 3/2 الکترون ولت و حوزههاي مختلف به خود اختصاص داده است، .[1 2] در این میان انرژي بستگی اکسیتونی 60 میلی الکترون ولت در دماي اتاق است که به خاطر ویژگیهاي منحصربهفرد آن براي کاربردهاي الکتریکی و اپتوالکترونیکی توجه بسیاري از محققین را به خود جلب نموده است.
اکسید روي توسط روشهاي متعددي از جمله مایسلمعکوس1، هیدروترمال2، سل-ژل3 و تهنشینی4 تولید میشوند .[4] در این تحقیق از روش شیمیایی مرطوب جهت ساخت نانوصفحات اکسید روي-منگنز استفاده شد و اثر درصدهاي مولی مختلف منگنز به عنوان ناخالصی در چگونگی شکلگیري نانوصفحات مورد بررسی قرار گرفت. در ساخت نانوصفحات ZnO-Mn به این روش Mn نقش اساسی را ایفا میکند و هندسه نانوساختارها را از حالت میلهاي به صفحهاي تغییر می دهد.
جزئیات آزمایش
براي ساخت نانو صفحات ZnO-Mn از Zn - No3 - 2.6H2o وMn - No3 - 2.4H2O - نیترات روي شش آبه و نیترات منگنز چهار آبه - استفاده شد. در این پژوهش 75 میلی مولار نیترات روي با %0 و %10 مولی نیترات منگنز بهصورت جداگانه و در دو آزمایش مختلف در 50 میلی لیتر آب بدون یون5 حل شد. محلول حاصل به مدت 2 ساعت روي همزن مغناطیسی قرار گرفته و به شدت هم زده شد. سپس آمونیاك بهصورت قطره قطره به محلول بهدست آمده اضافه کرده تا زمانی که pH محلول به 10 رسید و پس از آن به مدت 30 دقیقه روي همزن مغناطیسی تحت هم زدن شدید قرارگرفت. در نهایت محلول به دست آمده در دماي 90 درجه سانتیگراد به مدت 6 ساعت براي مطالعه بیشتر خواص فیزیکی و شیمیایی خشک گردید.
نتایج
قطر تقریبی نانومیلههاي تشکیل شده تقرباًی برابر 36 نانومتر است که با اندازهگیري قطر نانومیلهها در 3 تصویر جداگانه و میانگینگیري از آنها به دست آمده است. همچنین تصویر SEM نانوساختارهاي به دست آمده در حضور ناخالصی منگنز نشان میدهد که با افزایش 10 درصد مولی منگنز، ساختار میلهاي به دست آمده از ZnO خالص به وضوح تغییر شکل داده و به ساختار صفحهاي تبدیل شده است. از تصاویر میتوان دریافت شکل نانوساختار ZnO-Mn به غلظت منگنز افزوده شده بستگی دارد.
شکل - 2 - آنالیز XRD نانوصفحات ZnO وZnO-Mn را نشان میدهد. الگوهاي XRD براي نمونههاي اکسید روي خالص و اکسید روي آلائیده شده با منگنز مشابه یکدیگرند. الگوي پراش نشان میدهد نانوساختارهاي به دست آمده داراي بلورینگی مناسبی است و ZnO با ساختار شبکهي شش ضلعی و فاز wurtzite تشکیل شده است. قلههایی که در زوایاي 31/7 ،33/2 ، 36/7، 47/9 و 56/4 ظاهر شده اند به ترتیب به صفحات - 100 - ، - 002 - ، - 101 - ، - 102 - و - 110 - از ساختار بلوري اکسید روي و اکسید روي- منگنز نسبت داده میشوند.
میتوان آنها را به اکسیدهاي منگنز تشکیل شده در نمونه نسبت داد به این معنی که همهي Mn - No3 - 2.4H2O افزوده شده در شبکه ZnO تبدیل به منگنز نمیشود بلکه درصدي از آن به صورت اکسید منگنز درمیآید .[5] شدت زیاد قلههاي پراش XRD نشان دهندهي بلورینگینسبتاً خوب ZnO خالص است. مشاهده میشود که الگوي پراش مربوط به ZnO-Mn در - 002 - یک قله با شدت کمتر نسبت به ZnO خالص دارد که نشان میدهد اضافه کردن ناخالصی بلورینگی را کاهش میدهد که این کاهش میتواند ناشی از تفاوت اندازه یون روي و ناخالصی باشد.
شکل - 3 - طیف UV-Vis نانوساختار ZnO واکسید روي آلائیده شده با منگنز - ZnO-Mn - را نشان میدهد. قلهي مشاهده شده در 375nm مربوط به ZnO خالص و قلهي مشاهده شده در 360 nm به ZnO-Mn نسبت داده میشود. موقعیت قلهها با افزایش غلظت منگنز به سمت طول موجهاي بلندتر جابهجا میشود که نشان میدهد با افزایش غلظت منگنز، شکاف انرژي ZnO کاهش مییابد. این کاهش شکاف انرژي و انتقال به قرمز با اثر Burstein-Moss توجیه میشود. این اثر بیان کنندهي آن است که سطح فرمی با افزایش غلظت حاملها، به باند رسانش نزدیکتر میشود. نتایج به دست آمده از طیف سنجی UV-Vis با نتایج گزارش شده توسط محققین دیگر همخوانی دارد .[6]
