بخشی از مقاله
چکیده
در این کار، پاسخ نوری فیلم اکسیدروی حاصل از محلول مورد مطالعه قرار گرفتهاست. فیلم با روش لایهنشانی سانتریفیوژ از محلول اکسیدروی در آب با غلظت 1 گرم بر لیتر تهیه شدهاست. مشخصهیابی نمونه با دستگاه طیفسنج فرابنفش- مرئی و ساختار کریستالی فیلم با دستگاه پراش پرتو ایکس انجام شدهاست. با استفاده از نتایج طیف فرابنفش- مرئی انرژی گاف اپتیکی فیلم نانوذرات اکسیدروی 3/22 eV بدست آمدهاست.
نتایج طرح پراش پرتو ایکس بیانگر این است که لایهنشانی نانوذرات اکسیدروی با ساختار هگزاگونال بر روی زیر لایهی شیشه بدون تغییرات ساختاری است. در طیف فوتولومینسانس گسیل شدید در ناحیهی فرابنفش نشاندهندهی نقص ساختاری کم در فیلم اکسیدروی میباشد. نتایج تغییرات جریان بر حسب زمان فیلم نانوذرات اکسیدروی تحت تابش پرتو لیزری با طول موجهای مختلف بیانگر جذب طول موج 405 نانومتر و افزایش جریان نوری در مرتبه نانو است.
مقدمه
اکسیدروی - ZnO - یک نیمهرسانای نوع n با انرژی گاف مستقیم 3/2 eV و انرژی بستگی اکسایتونی 60 meV در دمای اتاق میباشد .[1] اکسیدروی دارای خاصیت پایداری شیمیایی بالا، ثابت دیالکتریک پایین، فعالیت کاتالیزوری بالا، جذب نور زیر قرمز و فرابنفش و خاصیت ضد باکتری است و بنابراین بهطور بالقوه در کاتالیزورها، حسگرهای گازی، روکشهای ضد خوردگی و آشکارسازهای نوری استفاده میشود .[2]
در آشکارسازهای نوری نانو ساختارهای اکسیدروی معمولترین ساختارها بهشمار میروند. در این آشکارسازها مادهای که دارای شکاف انرژی بالا، عمق نفوذ بالای نور و مقاومت مناسب در برابر تابش باشد لازم میباشد. تاکنون از روشهایی مانند اسپاترینگ، لایهنشانی بخار شیمیایی، سل ژل و افشانه داغ برای تولید لایههای ZnO استفاده شدهاست. در این پژوهش از روش لایهنشانی سانتریفیوژ برای لایهنشانی نانوذرات اکسیدروی استفاده شدهاست.
در این روش نانوذرات کلوئیدی اکسیدروی توسط نیروی گریز از مرکز بهطور مستقیم بر روی زیرلایه چسبانده میشوند. سادگی و ارزان بودن ابزار، عدم نیاز به خلأ و امکان استفاده این روش در مقیاس صنعتی را میتوان از جمله مزیتهای لایهنشانی به روش سانتریفیوژ ذکر کرد. در این مقاله به بررسی اثر تابش طول موجهای مختلف بر خواص الکتریکی لایه ZnO تهیه شده پرداخته شدهاست.
بخش تجربی
پودر نانوذرات اکسیدروی با خلوص 99/9% و میانگین اندازه 10 تا 30 نانومتر با غلظت 1 گرم بر لیتر در آب مقطر حل شده و به مدت 40 دقیقه تحت امواج فراصوت در حمام اولتراسونیک قرار داده میشود تا به خوبی در آب حل شود. قبل از لایهنشانی زیرلایههای شیشهای با اندازههای 9×25 میلیمتر به مدت 5 دقیقه به ترتیب با آب مقطر، اتانول و استون در حمام اولتراسونیک تمیز شده و در کورهی خلأ خشک میشوند. لایهنشانی به مدت 7 دقیقه در سرعت 6000 rpm در دستگاه Centrifuge K240 انجام گرفتهاست.
فیلم اکسیدروی لایهنشانی شده به مدت 20 دقیقه درون کورهی حرارتی خشک میشود. مشخصهیابی نمونه با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و عبوری - TEM - و طیفسنجی فرابنفش- مرئی - UV-vis - در گسترهی طول موجهای 800؛300 نانومتر انجام گرفتهاست. ساختار کریستالی فیلم حاصل با استفاده از طرح پراش پرتو ایکس - XRD - بررسی شدهاست.
خصوصیات فوتولومینسانس لایه با دستگاه طیفسنج نوری در طول موج تحریک 365 نانومتر مطالعه شدهاست. پاسخ حسگری نمونه در اثر تابش پرتو لیزر با سه طول موج 630، 532، 405 نانومتر و شدت نور خروجی 50 mW برحسب اعمال ولتاژ ثابت 35 V مطالعه شدهاست. زمان پاسخ جریان عبوری از فیلم در حالت لیزر روشن و خاموش با استفاده از دستگاه Keithley Source Meter 2450 با یک سیستم پروب دو نقطهای در دمای اتاق ثبت شدهاست.
نتایج و بحث
تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از پودر نانوذرات اکسیدروی در مقیاس 50 نانومتر و تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از فیلم نانوذرات اکسیدروی در مقیاس 100 نانومتر در شکل1 نشان داده شدهاست. همانطور که در طیف جذبی مشاهده میشود لایه-نشانی به روش سانتریفیوژ تأثیری بر پیک جذبی نانوذرات اکسیدروی ندارد. این طیف جذبی نشان میدهد که اکسیدروی یک نیمهرسانا با انرژی گاف مستقیم است. شکل : 2 طیف جذبی فرابنفش- مرئی محلول و فیلم نانوذرات اکسیدروی؛ نمودار الحاقی مدل تاک برای محاسبهی انرژی گاف اپتیکی را نشان میدهد.
انرژی گاف اپتیکی را میتوان از طیف جذبی فرابنفش- مرئی با استفاده از مدل تاک محاسبه کرد .[3] این روش به صورت رسم منحنی - h - 2 برحسب h است که در آن ضریب جذب و h انرژی تابش فرودی و توان 2 مربوط به گذارهای مستقیم مجاز است. برونیابی قسمت خطی منحنیها به محور افقی، انرژی گاف را نشان میدهد. نمودار تاک در داخل شکل1 مقدار Eg =3/17 eV و Eg =3/22 eV را بهترتیب برای محلول و فیلم نانوذرات اکسیدروی نشان میدهد.
ساختار کریستالی فیلم نانوذرات اکسیدروی در شکل3 نشان داده شدهاست. براساس طیف پرتو ایکس، قلههای پراش مربوط به صفحات - 100 - ، - 002 - ، - 101 - ، - 102 - ، - 110 - ، - 103 - ، - 200 - ، - 112 - و - 201 - مطابق با شماره کارت 36-1451 از کمیته مشترک استانداردهای پراش پودری - JCPDS - ، منطبق با ساختار بلوری ورتزیت اکسیدروی میباشند .[4] سه قله اصلی این طیفها با صفحات - 100 - ، - 002 - و - 101 - به ترتیب در زوایای 2θ=31,52° ، 2θ=34,17° و 2θ=36,06° نمایان شدهاست. در آنالیز XRD تنها طیفهای حاصل مربوط به ZnO بوده و هیچگونه ناخالصی دیگری مشاهده نشدهاست.
اندازه متوسط نانوذرات اکسیدروی خالص را میتوان از یک پیک در الگوی XRD تعیین نمود. براساس رابطه دبای شرر اندازه کریستالی نانوذرات اکسیدروی در دمای اتاق 17 نانومتر محاسبه شدهاست .[5] که در توافق خوبی با نتایج حاصل از تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی میباشد. شکل4 طیف فوتولومینسانس فیلم نانوذرات اکسیدروی را که در طول موج 365 نانومتر تحریک شدهاست، نشان میدهد.
بهطور معمول در طیف فوتولومینسانس نانوذرات اکسیدروی، نوارهای گسیلی در نواحی UV و مرئی مشاهده میشود. پیک UV که معمولاً بهعنوان مشخصهای از گسیل ZnO درنظر گرفته میشود، به گسیل لبه نوار یا گذار اکسایتونی منسوب است. در حالیکه نوارهای گسیلی در محدودهی مرئی ناشی از بازترکیب حفرههای حاصل از تابش فوتون با حالتهای باردار یونیزه شده در نقص- های ذاتی مانند جای خالی اکسیژن، Zn درون شبکهای و یا ناخالصیها میباشد .[6] در فیلم نانوذرات اکسیدروی، پیک UV در طیف فوتولومینسانس غالب است. در حالیکه شدت پیکهای موجود در ناحیه مرئی ضعیف میباشد. به عبارت دیگر، گسیل شدید اکسایتونی نشان میدهد که فیلم نانوذرات اکسیدروی تهیه شده به روش سانتریفیوژ دارای نقص کمی است.
