بخشی از مقاله
مقدمه
دیاکسید تیتانیوم عبارت است از اکسید تیتانیوم با فرمول شیمیایی TiO2 که برای اولین بار بصورت تجاری در سال 1923 تولید شد بعنوان بهترین فلز اکسیدی و نیمه هادی با نوارگاف نسبتاً پهن شناخته شد Karthick "et al" - ،. - 2011دیاکسید تیتانیوم دارای ساختارهای آمورف و بلوری است و ساختار بلوری در سه فاز بروکیت، آناتاز و روتایل مشاهده شده است. فاز آناتاز دارای ثابت شبکهای c=9,514 A0 - ، - a=3,785 A0 و فاز روتایل با ثابت شبکهای c=2,959 A0 - ، - a=4,593 A0 دارای ساختار بلوری تتراگونال هستند و فاز بروکیت b=9,182 A0 - ، - a=5,456 A0 دارای ساختار بلوری اورتورمبیک است Rawat - "et al"،. - 2008شکل - 1 - ساختار بلوری آناتاز و روتایل را نشان میدهد فازهای آناتاز و بروکیت فازهای شبه پایداری هستند که در اثر حرارت به فاز پایدار روتایل تبدیل میشوند Lan et al - ،. - 2013
در سال 1972 فوجی شیما و هوندا پدیده شکافتن آب بر روی الکترود TiO2 در اثر تابش نور - UV - را کشف کردند از آن پس تلاشهای زیادی برای توسعه تحقیقات روی مواد TiO2 صورت گرفته است که منجر به کاربردهای زیاد این ماده در زمینههای فوتوولتاییک1 و فوتوکاتالیست2 و سنسورها شده است - Chen, Samuel ،. - 2007از خواص فوتوکاتالیست مواد میتوان در تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی، اکسایش و کاهش مواد جهت بدست آوردن مواد مفید نظیر هیدروژن، هیدروکربنها و حذف آلایندهها نظیر باکتریها بر روی سطوح و آب و هوا استفاده کرد. از میان فوتوکاتالیست ها TiO2 به خاطر قابلیت اکسیداسیون بالا، پایداری شیمیایی، غیر سمی بودن کاربردهای وسیعی در تجزیه آلاینده-های آلی، خودتمیزشوندگی و فوق آبدوست کردن1 سطوح دارد 2012 ,Nakata ,Fujishima - ،. - 2006 ,Fujishima ,Zhang
یک سطح وقتی فوق آبدوست و فوق آبگریز تعریف میشود که زاویه تماس آب با سطح به ترتیب بیشتر از 130 درجه و کمتر از 30 درجه باشد این خاصیت از تابش نور UV بر سطح و شکلگیری ترکیبات شیمیایی بر روی سطح ناشی میشود. از این خاصیت نانو مواد TiO2 می توان برای ضدمه کردن سطوح شیشهای نظیر آینهها و عینکها استفاده کرد - Chen, Samuel،. - 2007در مورد خاصیت فوتوکاتالیست TiO2 و مکانیزم واکنش مطالعه گستردهای صورت گرفته است، جذب بالای فوتونها با انرژی زیاد نسبت به نوار گاف TiO2 باعث برانگیخته شدن الکترونها از نوار ظرفیت به نوار رسانش و تولید جفت الکترون و حفره میشود. این حاملان بار روی سطح آمده و با مواد شیمیایی جذب شده روی سطح واکنش داده و آنها را تجزیه میکنند - Nakata, Fujishima ،. - 2012 این فرآیند تجزیه نوری یک یا تعداد بیشتری از گونههای رادیکالی نظیر OH، O2-، H2O2 یا O2 را درگیر میکند که این رادیکالها نقش مهمی در مکانیزم فوتوکاتالیستی بازی میکنند - Fujishima, Zhang،
. - 2005 فعل و انفعالات فوتوکاتالیستی یک نیمه هادی بیشتر به وسیله خواص جذب نوری و نرخ واکنشهای کاهش و اکسایش بر روی سطح به وسیله الکترون و حفره، نرخ باز ترکیب الکترون و حفره کنترل میشود - Chen, Samuel ، . - 2007 ساخت نانو یا میکروساختارهای TiO2 با مورفولوژی و خواص جالب امروزه بطور عمده مورد توجه قرار گرفته است. TiO2 در انواع شکلهای کرهای - Jiaxian"et al"، - 2013 ، فیبرها Sabba "et al" - ، - 2014 و شیتها Jiangyong feng "et al" - ، - 2010 ساخته میشود که هر کدام دارای کاربردهای خاصی میباشند. روشهای متعددی نظیرکندوپاش مگنترونی Prabitha B.nair "et al" - ، - 2011، لایهنشانی تبخیر شیمیایی Masuda "et al" - ، - 2009، لایهنشانی گرمایش موجی Wang "et al" - ، - 2011 و روش سل ژل - ؛ Yang "et al"، - 2006 برای تهیه فیلم دیاکسید تیتانیوم استفاده میشوند.
اکثر این روشها به فرآیندهای پیچیده، زمان سنتز طولانی و شرایط محیطی همچون دماهای بالا نیازمند میباشد بعلاوه زمان زیادی برای سرد کردن لازم است. در مقاله حاضر لایهنشانی دی-اکسید تیتانیوم بر روی زیرلایه استیل 304 با استفاده از دستگاه پلاسما فوکوس در دمای اتاق، گزارش میشود این روش جزء روشهای لایهنشانی فیزیکی محسوب میشود که اکثر مشکلات برخاسته از روشهای شیمیایی را حل میکند. در کار حاضر فیلم-های نازک TiO2 با تعداد شاتهای متفاوت به وسیله دستگاه پلاسما فوکوس از نوع مدر لایهنشانی شده، سپس جهت بدست آوردن ساختار بلوری مناسب، نمونهها در دماهای 600 - ، 650، - 700آنیل میشوند، مورفولوژی سطح و ترکیبات ظاهر شده بر روی سطح با آنالیزهای SEM، EDX، XRD مورد مشاهده و بررسی قرار میگیرند.
مبانی نظری پژوهش
دستگاه پلاسمای کانونی در اوایل دهه 1960 میلادی توسط فیلیپوف و مدر بطور جداگانه در کشورهای اتحاد جماهیر شوروی و آمریکا اختراع شد با توجه به تفاوت ظاهری دو دستگاه فوق، این دستگاهها به عنوان مدل فیلیپوف و مدل مدر نامگذاری شدند تفاوت دو مدل فیلیپوف و مدر در نسبت ارتفاع آند به قطر آن استاین. نسبت در نوع فیلیپوف کوچکتر از یک - نوعاً - 0/2 و در نوع مدر بزرگتر از یک - در بازه - 10-5 می باشد در هر دو مدل یک ولتاژ قوی به گازی که بین دو الکترود - آند و کاتد که با عایقی از هم جدا شده اند - هم محور سیستم قرار گرفته، وارد می شود. در این هنگام تخلیه الکتریکی بین آند و کاتد شروع شده ویک لایه جریان روی سطح عایق به وجود میآید این لایه جریان تحت نیروی لورنتس شتاب گرفته و پس از طی چند مرحله در نقطهای روی آند به پلاسمای چگال و داغ تبدیل میشود. Decker, G, & Wienecke, R. - ، - 1976 دستگاه پلاسمای کانونی با انرژی پایین، جهت یادگیری دینامیک پلاسما و مطالعه همجوشی هسته ای حایز اهمیت میباشد. این دستگاه ابزار مفیدی را جهت بررسی شتاب نیروی لورنتس - J×B - ، شکل گیری تنگش و تولید پرتو ایکس فراهم می کند. - S. Lee ، - 1984
پیشینه پژوهش
درسال Seungho 2010 و Cho Kun-Hong Lee با استفاده از روش تابش میکروموج، سنتز نانوساختارهای TiO2 را مورد بررسی قرار دادند. آنها در این روش با اعمال تابش میکروموجی، توانستند نانوساختارهای TiO2 را سنتز کنند. طیف XRD حاصل از نتایج کاری آنها نانو ساختارهای بلوری TiO2 با ساختار بلوری آناتاز و روتایل را تایید میکند. میانگین ابعاد نانو ساختارهای تولید شده در کار آنها در حدود 200 nm در طول و 30 nm در قطر میباشد.در پژوهشی دیگر Huaming Yang و همکاران او - - 2005، نانو ذرات TiO2 را با استفاده از روش سل-ژل سنتز کردند. اعمال عملیات حرارتی کلسیناسیون1 در دماهای 5000c و 600 ، باعث شکل گیری ترکیبی از ساختارهای بلوری TiO2 شده است. آنها مشاهده کردند با افزایش دمای عملیات حرارتی بر شدت پیکها افزوده میشود و اندازه ذرات از 16 nm در دمای 500 0c به 47nm در دمای 600 0c میرسد.
در سال Rawat 2008 و همکاران او، نانو فیلمهای TiO2 را با استفاده از دستگاه پلاسمای کانونی بر روی زیرلایه سیلیکون، لایه نشانی کردند. طیف XRD حاصل از کار آنها، ساختار بلوری آناتاز و روتایل فیلمهای TiO2 لایه نشانی شده بر روی سیلیکون را تایید میکرد. آنها با استفاده از پیکهای پراش اندازه ذرات TiO2 را در حدود 8 nm و 13 nm به دست آوردند. طیف SEM از سطح فیلمها، مورفولوژی یکنواختی از توزیع ذرات را نشان داده است.در پژوهش دیگر P.B Nair و همکاران او - 2011 - ، فیلمهای نازک TiO2 را با استفاده از روش کندوپاش مگنترونی RF تهیه نمودند. طیفهای XRD که این گروه از نمونه به دست آوردند ساختار آمورف از فیلمها را نشان داد، اما طیف رامان به عمل آمده از نمونهها، حضور ساختار بلوری آناتاز در همه نمونهها را تایید کرد. در ضمن این گروه در یافتند که با افزایش توان RF در فشارهای پایین، می توان ساختار بلوری روتایل را در نمونهها مشاهده کرد.
روش پژوهش
این پژوهش با استفاده از دستگاه پلاسمای کانونی واقع در گروه فیزیک اتمی- مولکولی دانشگاه صنعتی سهند تبریز انجام شده است، این دستگاه از نوع مدر بوده و دارای 3 عدد بانک خازن 10 میکروفارادی با بیشینه ولتاژ 10 - کیلو ولت - می باشد این دستگاه شامل یک آند از جنس تیتانیوم به قطر - - 1cm و ارتفاع - - 4cm بوده که توسط 6 کاتد از جنس برنج احاطه شده است ارتفاع کاتدها در اندازه - 4cm - است. الکترودهای کاتد و آند توسط دیواره عایقی از جنس سرامیک از هم جدا شدهاند شکل - - 2 یک نمایش شماتیک از این دستگاه را نشان میدهد
