دانشگاه صنعتی شاهرود 

دانشکده فیزیک

گرایش نانوفیزیک

پایان نامه کارشناسی ارشد

عنوان:

سنتز و مطالعه خواص فیزیکی نانو ساختارهای اکسید نیکل برای کاربردهای حسگری

اساتید راهنما:

دکتر حمید هراتی‏زاده

دکتر محمد باقر رحمانی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

ساختار‏‏هایی که در ابعاد نانو متر هستند خواص فیزیکی و شیمیایی شگفت‏انگیزی را از خود نشان می‏دهند که این خواص متفاوت از خواص مشاهده شده در مواد حجمی می‏باشد. کاهش در ابعاد سبب بهبود یافتن اثرات وابسته به اندازه مانند نسبت سطح به حجم بسیار بالا می‏شود که این به نوبه خود بر خواص فیزیکی گوناگون مانند ساختار الکترونیکی، ساختار شبکه، فاصله بین اتمی و غیره اثر می‏گذارد. اکسید نیکل (NiO) یک نیم‏رسانای نوع p با ساختار کریستالی NaCl و گاف نواری eV 6/3 است. در طی چند سال گذشته نانو ساختارهای NiO به سبب خواص الکتریکی و مغناطیسی مفید آن‏ها به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‏اند. این پروژه شامل دو مرحله از انجام آزمایشات می‏باشد. در مرحله اول نانو ساختارهای اکسید نیکل به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن سنتز شدند به این ترتیب که ابتدا قرص‏های نیکل تهیه و سپس تحت شرایط خاص اکسید شدند. در مرحله دوم فیلم‏های نازک اکسید نیکل به روش اسپری پایرولیزیز با آلایش‏های صفر و 50 درصد کلرید لیتیم (LiCl) تهیه شدند و با توجه به اهمیت حسگری گازی نیم‏رساناهای اکسید فلزی، عملکرد حسگری گازی فیلم‏های نازک NiO سنتز شده برای غلظت‏های مختلف گاز مهم و پرکاربرد بخار استون در دماهای مختلف بررسی شد. نانو ساختارها و فیلم‏های نازک سنتز شده، بوسیلۀ پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ روبشی الکترونی (SEM) و آنالیز EDX مشخصه‏یابی شدند

فهرست مطالب

تقدیر و سپاسگزاری  ……………………………………………………………………………………….  ب

چکیده  …………………………………………………………………………………………………………………..  ت

فصل اول- معرفی اکسید نیکل

1-1 مقدمه  ………………………………………………………………………………………………………  2

1-2 ساختار  …………………………………………………………………………………………………..  4

1-3 خواص الکتریکی و اپتیکی  ……………………………………………………………………………………………………  5

1-3-1 مواد الکتروکرومیک  ………………………………………………………………………………………………………….  5

1-3-2 انواع مواد الکتروکرومیک  …………………………………………………………………………………………………  6

1-4 کاربردهای اکسید نیکل  ……………………………………………………………………………………………………….  7

1-4-1 پنجره‏های هوشمند  …………………………………………………………………………………………………………  7

1-5 مروری کوتاه بر برخی از تکنیک‏های مشخصه‏یابی نانوساختارها  ………………………………………..  8

1-5-1 پراش پرتو ایکس  ……………………………………………………………………………………………………………..  9

1-5-2 میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی  ………………………………………………………………  11

1-5-3آنالیز EDX  …………………………………………………………………………………………………………………….  12

1-6 انواع نانوساختارهای اکسید نیکل  ………………………………………………………………………………………  13

فصل دوم- حسگرهای گازی

2-1 مقدمه‏ای بر حسگرهای گازی  ……………………………………………………………………………………………  27

2-2 انواع حسگرهای گازی  ……………………………………………………………………………………………………….  27

2-3 حسگرهای گازی نیم‏رسانا اکسید-فلزی  ………………………………………………………………………….  29

2-4 خواص حسگرهای گازی  ……………………………………………………………………………………………………  30

2-4-1 حساسیت  ………………………………………………………………………………………………………………………  30

2-4-2 گزینش  ………………………………………………………………………………………………………………………….  34

2-4-3 زمان پاسخ / زمان بازگشت  …………………………………………………………………………………………..  34

2-5 مروری بر مقاله‏های موجود دربارۀ حسگرهای گازی بر پایۀ نانوساختارهای اکسید نیکل  .  34

فصل سوم- مراحل آزمایشگاهی رشد نانوساختارهای اکسید نیکل به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن و اسپری پایرولیزیز و آماده‏سازی لایۀ حسگر گازی

3-1 مقدمه  ……………………………………………………………………………………..  59

3-2 انواع روش‏های رشد نانوساختارهای اکسید نیکل  ……………………………………………………………..  59

3-3 تهیۀ نانوساختارها به روش اسپری پایرولیزیز  ……………………………………………………………………  60

3-3-1 جزئیات دستگاه اسپری پایرولیزیز  ………………………………………………………………………………..  60

3-3-2 آماده‏سازی زیرلایه  ……………………………………………………………………………………..  61

3-3-3 تهیۀ محلول  ………………………………………………………………………………………………..  62

3-3-4 پارامترهای لایه‏نشانی  ………………………………………………………………………………….  63

3-4 تهیۀ لایه‏های نازک نانوساختار به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن  ………………….  64

3-4-1 کورۀ الکتریکی تیوبی  …………………………………………………………………………………………………….  64

3-4-1-1 متعلقات کوره  ……………………………………………………………………………………………………………  65

3-4-1-2 سیستم خلأ به کار رفته …………………………………………………………………………………………….  65

3-4-2 مراحل سنتز نانوساختارهای اکسید نیکل  …………………………………………………………………….  66

3-4-2-1 تهیۀ قرص‏های نیکل  ………………………………………………………………………………………………..  67

3-4-2-2 عملیات حرارتی قرص‏ها  ……………………………………………………………………………………………  68

3-5 حسگر گازی  ……………………………………………………………………………………………….  69

3-5-1 جزئیات دستگاه حسگر گازی  ……………………………………………………………………………………….  70

3-5-2 آماده سازی لایه حسگر  …………………………………………………………………………………………………  72

3-5-2-1 الکترود گذاری  ………………………………………………………………………………………………………….  72

فصل چهارم- نتایج و بحث در مورد مورفولوژی و خواص ساختاری نانوساختارهای NiO و نتایج مشخصه‏یابی حسگرهای گازی ساخته شده بر پایۀ لایه‏های نازک اکسید نیکل

4-1 مقدمه  ……………………………………………………………………………………..  75

4-2 بررسی خواص فیزیکی لایه‏های نانوساختار اکسید نیکل تهیه شده به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن  .  75

4-2-1 معرفی نمونه‏های سنتز شده  ……………………………………………………………  76

4-2-2 بررسی اثر فاصلۀ قرص‏ها از مرکز ناحیۀ بسیار گرم کوره بر مورفولوژی نمونه‏ها  …………  78

4-2-3 بررسی اثر دما بر مورفولوژی نمونه‏ها  ……………………………………………………………………………  79

4-2-4 آنالیز عنصری نمونه‏ها………………………………………………………………………………………………………  80

4-3 بررسی خواص فیزیکی لایه‏های نانوساختار اکسید نیکل تهیه شده به روش اسپری پایرولیزیز…………………………………………………………………………………………………………  80

4-3-1 مطالعۀ مورفولوژی سطح لایه‏ها  ……………………………………………………………………………………  81

4-3-2 مطالعۀ خواص ساختاری لایه‏ها   …………………………………………………………………………………..  81

4-4 نتایج حاصل از حسگر لایه‏های نازک NiO سنتز شده به روش اسپری پایرولیزیز  ………….  82

4-4-1 زمان پاسخ و بازیابی حسگر لایه‏های نازک NiO سنتز شده به روش اسپری پایرولیزیز  87

4-5 بحث و نتیجه‏گیری  …………………………………………………………………………………………. 88

4-5-1 عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن  ……………………………………………………………………………..  89

4-5-2 اسپری پایرولیزیز  …………………………………………………………………………………………………………..  89

4-5-3 حسگر گازی  ………………………………………………………………………………………………………………….  89

منابع  ……………………………………………………………………………………………………….  90

1 مقدمه

اکسیدهای نیکل ممکن است به صورت‏های گوناگون مانند NiO، NiO₂، NiO₄ و Ni₂O₃ وجود داشته ‏باشند ]1[. این اکسیدها به صورت پودرهای سیاه یا سبز رنگ موجود هستند که شکل سیاه آن‏ها از نظر شیمیایی واکنش‏پذیر است در حالی که شکل سبز آن‏ها بی‏اثر و دیرگداز می‏باشد. اکسید مورد نظر ما در این پایان‏نامه NiO می‏باشد که به این اکسید، Green nickel oxide،             Nickel monoxide  و Nickelous oxide هم گفته ‏می‏شود.

NiO کپه‏ای، مقاومت ویژه ونقطۀ ذوب (حدود °C 2000) خیلی بالایی دارد بنابراین می‏تواند در کاربردهای دمای بالا مورد استفاده قرار بگیرد ]1[. NiO یکی از معروف‏ترین مواد الکتروکرومیک[1] بعد از اکسید تنگستن است. به عنوان یک ماده الکتروکرومیک، به سبب بازده الکتروکرومیک ( ) بالا،

برگشت‏پذیری دوره‏ای، پایداری و رنگ‏آمیزی خاکستری که در تکنولوژی پنجره‏های هوشمند مفید است مزایای ویژه‏ای دارد ]2[. NiO یک مادۀ الکتروکرومیک آندی است که می‏تواند در ترکیب با یک مادۀ الکتروکرومیک کاتدی مانند اکسید تنگستن (WO₃) استفاده ‏شود ]3[.

 اکسید نیکل بدون آلایش دارای انرژی گاف نواری مستقیم و پهن در گسترۀ eV 0/4-6/3 و چگالی g/cm³ 67/6 است. هنگامی که در حضور هوا گرم می‏شود به خاطر تولید تهی‏جاهای Ni²⁺ در ساختار NiO، نیم‏رسانندگی نوعp- نشان می‏دهد ]1[. الکترودهای ساخته شده با ذرات NiO نانو بلورین، نسبت به مواد سرامیکی معمولی ظرفیت بالاتری را نشان می‏دهند. از خواص مغناطیسی اکسید نیکل این است که یک مادۀ آنتی‏فرومغناطیس می‏باشد، هنگامی که اندازۀ بلورک از مرتبه چند نانو متر می‏شود، سوپرپارامغناطیس یا سوپرآنتی‏فرومغناطیس می‏شود. در حالت کلی خواص اپتیکی و الکتریکی NiO به استوکیومتری (تناسب عنصری)[2] و همچنین نقایص ساختاری آن بستگی دارند.

NiO یک مدل نیم‏رسانا با رسانندگی حفره (نیم‏رسانای نوع-p) در نظر گرفته می‏شود. تناسب عنصری NiO تقریباً به وسیلۀ رنگ نمونه نشان داده می‏شود. رنگ NiO تا حد زیادی به حضور حالت‏های ظرفیت بالاتر نیکل حساس است. تهی‏جاهای کاتیون نیکل و یا اکسیژن میانین در بلورک‏های NiO منجر به NiO_x غیر استوکیومتری می‏شود. NiO استوکیومتری یک عایق با      مقاومت ویژه از مرتبۀ Ω 10¹³ در دمای اتاق است و تا حد زیادی به اکسید شدن مقاوم است. پایداری شیمیایی بسیار خوب همراه باخواص اپتیکی، الکتریکی و مغناطیسی جالب، NiO را کاندیدای بسیار خوبی برای اسباب الکتروکرومیک می‏سازد ]4[.

NiO به عنوان یک اکسید رسانای شفاف دارای ترکیبی از رسانندگی الکتریکی و شفافیت اپتیکی می‏باشد. محدودیت کوانتومی الکترون‏ها که به وسیلۀ چاه کوانتومی نانو ساختارها ایجاد می‏شود از ابزارهای قوی برای کنترل خواص الکتریکی، اپتیکی، مغناطیسی و ترموالکتریک مواد فعال حالت جامد است. اکسید نیکل به عنوان نوعی مادۀ فعال مهم در طی دهه‏های متوالی مورد تحقیقات گسترده قرار گرفته است. به خاطر اثر حجم، اثر اندازۀ کوانتومی و اثر سطح نانو بلورهای اکسید نیکل، انتظار می‏رود که نسبت به ذرات با اندازۀ میکرونی NiO دارای خواص بهتر و مفیدتری باشند ]5[.

اکسید نیکل در اسیدها و محلول‏های هیدروکسید آمونیوم قابل حل است. در آب گرم و سرد و محلو‏ل‏های سوزان حل نمی‏شود. هنگامی که تا C° 400 گرم می‏شود می‏تواند اکسیژن را جذب کند و به Ni₂O₃ تبدیل شود. هنگامی که تا C° 600 گرم می‏شود دوباره به NiO تبدیل می‏شود

1-2 ساختار

اکسید نیکل دارای ساختار‏های آمورف و بلورین می‏باشد که بسته به مکانیزم به‏ کار رفته برای رشد و شرایط رشد، انواع مختلفی از ساختار‏های بلورین برای اکسید نیکل شناسایی شده‏اند.

یکی از ساختارهای بلورین اکسید نیکل، ساختار هگزاگونال با ثابت‏های شبکه nm 295/0=a و  nm 723/0=c است ]6[. این ساختار در شکل 1-1 نشان داده شده است.

شکل 1-1: ساختار هگزاگونال

ساختار بلورین دیگر، یک ساختار مکعبی مانند ساختار کلرید سدیم (NaCl) با پارامتر شبکه      Å 195/4=a می‏باشد ]7[ که در شکل 1-2 نشان داده شده است.

شکل 1-2: ساختار مکعبی

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.