بخشی از مقاله
چکیده
نانوساختارهای یک بعدی TiO2 به واسطه داشتن گاف انرژی پهن، ضریب شکست بالا و پایداری شیمیایی برای انواع کاربردها از قبیل قطعات فعال نوری، مدارهای میکروالکترونیک و اپتیکی، سلولهای خورشیدی مورد استفاده قرار می-گیرند. نانوساختارهای یک بعدی TiO2 را میتوان به روشهای متفاوتی ساخت.
در این پژوهش نانو ساختارهای یک بعدی دیاکسید تیتانیوم با روش شیمیایی هیدروترمال سنتز ، و خواص اپتیکی آن در شرایط دمایی مختلف بررسی شده است. برای انجام این کار از هیدروکسید سدیم 10 مولار، پودر آناتاز دیاکسید تیتانیوم با خلوص 99درصد - Sigma Aldrich - ومحلول آبی HCl با PH=1/6 به همراه آب دیونیزه استفاده شده است.
برای مشخصه یابی نانوساختارها، از دستگاه - - UV-vis، برای بررسی گاف انرژی اپتیکی، از دستگاه پراش اشعه X برای تعیین فازها واندازه نانو بلورکها و برای ارزیابی مورفولوژی نانو ساختارها از دستگاه - SEM - ، استفاده شده است. با تغییر دمای کلسینه می توان اندازه، مورفولوژی و تغییرات فاز نانو ساختارها را کنترل کرد. نتایج بررسی نشان می-دهد با افزایش دمای کلسینه، علاوه بر ساختار لولهای، ساختار میلهای هم تشکیل و استحاله فازی، از آناتاز به روتایل و فاز .TiO2-B مشاهده شده است همچنین با تغییرات شرایط فیزیکی ما شاهد بهبود گاف انرژی اپتیکی در طول موج-های کوتاه میباشیم.
مقدمه
یکی از طبقهبندیهای مواد در مقیاس نانو که توجه زیادی را به خود جلب کرده است، سیستمهای یک بعدی می-باشد که تجلی آن به کشف نانولولههای کربنی در سال 1991 میلادی بر میگردد. پیشرفتهای عظیمی در سنتز، خواص و اسباب کاربردی از نانوساختارهای یک بعدی به دست آمده است. این ساختارها با نسبت دید بالا1 - یعنی، محدودیت اندازه دو مختصه - ، بلورینگی بهتر، یکپارچگی بالاتر و توان مصرف کمتری را ایجاب مینمایند. با توجه به نسبت سطح به حجم بزرگ و اندازه کوچک قابل مقایسه با طول دبای، این مواد حساسیت بالایی نسبت به فرآیند-های شیمیایی سطح از خود نشان میدهند. به علاوه، محدودیت اندازه آنها سبب گاف نواری تنظیمپذیر، بهرهی نوری بیشتر و عملکرد سریعتر میگردد. انواع نانومواد معدنی، از جمله نیمرسانا تک عنصر و مرکب، با موفقیت در 15 سال گذشته ساخته شده است.
عملکرد یا ویژگی یک ماده عمدتاً بر کارایی و ماهیت سنتز و روش ساخت بستگی دارد. هنگامی که سنتز و روش ساخت جدیدی برای تولید نانوساختارهای یک بعدی ایجاد میشود، مهم ترین مساله که نیاز به نظارت دارد، کنترل همزمان ابعاد، ریخت شناسی، خلوص فاز و ترکیب شیمیایی است. یکی از روشهای شیمیایی برای سنتز اکسید-های فلزی، روش هیدرو ترمال میباشد.
این روش ابزاری قدرتمند در تولید نانوساختارها محسوب میشود، زیرا روش مناسبی برای تولید نانو ساختارهای یک بعدی میباشد. فرآیند هیدروترمال در دمایی بالاتر از دمای اتاق و در فشارهای بالا موثر است. از مزایای این روش میتوان به ذخیره انرژی، سادگی، قیمت ارزان، کنترل هستهزایی بهتر و سرعت بالای واکنش اشاره کرد. گرچه این فرآیند درمقایسه با فرآیند آسیاب کاری یا نشست بخار به زمان بیشتری نیاز دارد، اما امکان تولید ساختار بلورین را با کنترل بهتر اندازه و شکل فراهم میسازد.
بخش تجربی
ما در این پژوهش نانو ساختار های یک بعدی را با استفاده از روش شیمیایی هیدروترمال، سنتز و تهیه نموده ایم. از پودر آناتاز 99%، - Sigma Aldrich - به عنوان پیش ماده و محلول - 10 M - NaOH با هم مخلوط کرده، سپس در اتوکلاو در دمای 190 درجه سانتیگراد به مدت 6 ساعت قرار می دهیم.بعد از خاموش شدن کوره وهمدما شدن کوره با دمای محیط؛ رسوب حاصل را که کاملا به رنگ سفید می باشد، با آب مقطر شستشو داده و سپس با محلول آب - PH=1.6 - HCL خنثی میکنیم .فرایند خنثی شدن مهم ترین قسمت آن می باشد، مدت زمان لازم برای این مرحله نبایست کمتر 6 ساعت باشد، زیرا ساختار و مورفولوژی در حین خنثی سازی دستخوش تغییر می شود. برای بدست آوردن نانوساختار یک بعدی به صورت کریستالی پودر بدست آمده را در دماهای 400و 900 درجه سانتیگراد کلسینه می کنیم
در فرآیند سنتز هیدروترمال با محلول آبی NaOH ، مولکول Ti-O-Ti به صورت Ti-O-Na وTi-OH شکسته می-شود. محصول تولید شده در این روش میانگین بعد 30-15 نانومتر دارد. اساساً دو مرحله واکنش در فرآیند هیدروترمال اتفاق میافتد: - 1 - شکل گیری لایه در تیتانیا - 2 - تجزیه بلوری که طی مبادله یونی اتفاق میافتد. ابتدا TiO2 با NaOH واکنش داده و تشکیل لایه تیتانیا میدهد و سپس شستوشو با HCl وآب مقطر. طی این فرآیند یون Na+ با پروتون H+ مبادله میشود. .فرایند خنثی شدن مهم ترین قسمت آن میباشد ،مدت زمان لازم برای این مرحله نبایست کمتر 6 ساعت باشد ،زیرا ساختار و مورفولوژی در حین خنثی سازی دستخوش تغییر میشود.
شکل -1طرح واره ای از ایجاد نانوساختار TiO2 نانولوله ای طی فرآیند هیدروترمال
مشخصه یابی
برای بررسی خصوصیات نانوساختار سنتز شده ابتدا آنرا با پراش اشعه x مطالعه نمودیم
اندازه نانوبلورکها را می توان از یک پیک در الگوی XRD و با استفاده از رابطه شرر - رابطه - 1 تعیین کرد که در این رابطه D اندازه دانه کریستالی، λ طول موج اشعه ایکس برابر1/54 آنگستروم، پهنای قله پراش در نصف ارتفاع بیشینه بر حسب رادیان و θ زاویه پراش میباشد.
شکل :2 الگویXRD نمونه1 سنتز شده در دمای کلسینه 400 درجه سانتیگراد
مطابق با این شکل قلههایی در زوایای 10/5، 24/5، 28/2، 32/2 و 48/5 درجه وجود دارند.
در زاویه 10/5 اولین قله مربوط به نانوبلورک های موجود در ساختار نانو لوله ظاهر شده است [1] که طول تقریبی آن 12 نانومتر که با استفاده از رابطه شرر و برنامه Xpert محاسبه شده است. پیک دوم، سوم و چهارم هم مربوط به نانونانو بلورک های موجود در ساختار نانو لوله میباشد که اندازه تقریبی آنها به ترتیب 11، 5، 8 و 8 نانومتر می-باشد، تصاویر حاصل از SEM نیز نشان دهنده ساختارهایی با مورفولوژی و تخلخل متفاوت می باشد.
شکل :3 الگوی XRD نمونه2 سنتز شده در دمای کلسینه 900 درجه سانتیگراد
