Get a site

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

پایان نامه رشته :فیزیک

گرایش : نانو فیزیک

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

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

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 ۵۰ 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
۱-۱ مقدمه  .  ۲
۱-۲ ساختار  .  ۴
۱-۳ خواص الکتریکی و اپتیکی    ۵
۱-۳-۱ مواد الکتروکرومیک  .  ۵
۱-۳-۲ انواع مواد الکتروکرومیک  .  ۶
۱-۴ کاربردهای اکسید نیکل    ۷
۱-۴-۱ پنجره‏های هوشمند    ۷
۱-۵ مروری کوتاه بر برخی از تکنیک‏های مشخصه‏یابی نانوساختارها  .  ۸
۱-۵-۱ پراش پرتو ایکس  .  ۹
۱-۵-۲ میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی    ۱۱
۱-۵-۳آنالیز EDX  .  ۱۲
۱-۶ انواع نانوساختارهای اکسید نیکل  .  ۱۳
فصل دوم- حسگرهای گازی
۲-۱ مقدمه‏ای بر حسگرهای گازی  .  ۲۷
۲-۲ انواع حسگرهای گازی    ۲۷
۲-۳ حسگرهای گازی نیم‏رسانا اکسید-فلزی  .  ۲۹
۲-۴ خواص حسگرهای گازی    ۳۰
۲-۴-۱ حساسیت  .  ۳۰
۲-۴-۲ گزینش  .  ۳۴
۲-۴-۳ زمان پاسخ / زمان بازگشت    ۳۴
۲-۵ مروری بر مقاله‏های موجود دربارۀ حسگرهای گازی بر پایۀ نانوساختارهای اکسید نیکل  .  ۳۴
فصل سوم- مراحل آزمایشگاهی رشد نانوساختارهای اکسید نیکل به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن و اسپری پایرولیزیز و آماده‏سازی لایۀ حسگر گازی
۳-۱ مقدمه    ۵۹
۳-۲ انواع روش‏های رشد نانوساختارهای اکسید نیکل  .  ۵۹
۳-۳ تهیۀ نانوساختارها به روش اسپری پایرولیزیز    ۶۰
۳-۳-۱ جزئیات دستگاه اسپری پایرولیزیز    ۶۰
۳-۳-۲ آماده‏سازی زیرلایه    ۶۱
۳-۳-۳ تهیۀ محلول    ۶۲
۳-۳-۴ پارامترهای لایه‏نشانی    ۶۳
۳-۴ تهیۀ لایه‏های نازک نانوساختار به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن    ۶۴
۳-۴-۱ کورۀ الکتریکی تیوبی  .  ۶۴
۳-۴-۱-۱ متعلقات کوره  .  ۶۵
۳-۴-۱-۲ سیستم خلأ به کار رفته   ۶۵
۳-۴-۲ مراحل سنتز نانوساختارهای اکسید نیکل  .  ۶۶
۳-۴-۲-۱ تهیۀ قرص‏های نیکل    ۶۷
۳-۴-۲-۲ عملیات حرارتی قرص‏ها  .  ۶۸
۳-۵ حسگر گازی  .  ۶۹
۳-۵-۱ جزئیات دستگاه حسگر گازی    ۷۰
۳-۵-۲ آماده سازی لایه حسگر  .  ۷۲
۳-۵-۲-۱ الکترود گذاری  .  ۷۲
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
۴-۱ مقدمه    ۷۵
۴-۲ بررسی خواص فیزیکی لایه‏های نانوساختار اکسید نیکل تهیه شده به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن  .  ۷۵
۴-۲-۱ معرفی نمونه‏های سنتز شده  .  ۷۶
۴-۲-۲ بررسی اثر فاصلۀ قرص‏ها از مرکز ناحیۀ بسیار گرم کوره بر مورفولوژی نمونه‏ها    ۷۸
۴-۲-۳ بررسی اثر دما بر مورفولوژی نمونه‏ها  .  ۷۹
۴-۲-۴ آنالیز عنصری نمونه‏ها.  ۸۰
۴-۳ بررسی خواص فیزیکی لایه‏های نانوساختار اکسید نیکل تهیه شده به روش اسپری پایرولیزیز  ۸۰
۴-۳-۱ مطالعۀ مورفولوژی سطح لایه‏ها    ۸۱
۴-۳-۲ مطالعۀ خواص ساختاری لایه‏ها   .  ۸۱
۴-۴ نتایج حاصل از حسگر لایه‏های نازک NiO سنتز شده به روش اسپری پایرولیزیز  .  ۸۲
۴-۴-۱ زمان پاسخ و بازیابی حسگر لایه‏های نازک NiO سنتز شده به روش اسپری پایرولیزیز  ۸۷
۴-۵ بحث و نتیجه ‏گیری  . ۸۸
۴-۵-۱ عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن  .  ۸۹
۴-۵-۲ اسپری پایرولیزیز    ۸۹
۴-۵-۳ حسگر گازی    ۸۹
منابع    ۹۰
۱ مقدمه
اکسیدهای نیکل ممکن است به صورت‏های گوناگون مانند NiO، NiO2، NiO4 و Ni2O3 وجود داشته ‏باشند ]۱[. 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 پایان‏ نامه 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 ]۱[. NiO یکی از معروف‏ترین مواد الکتروکرومیک[۱] بعد از اکسید تنگستن است. به عنوان یک ماده الکتروکرومیک، به سبب بازده الکتروکرومیک ( ) بالا،

(۱-۱)

برگشت‏پذیری دوره‏ای، پایداری و رنگ‏آمیزی خاکستری که در تکنولوژی پنجره‏های هوشمند مفید است مزایای ویژه‏ای دارد ]۲[. NiO یک مادۀ الکتروکرومیک آندی است که می‏تواند در ترکیب با یک مادۀ الکتروکرومیک کاتدی مانند اکسید تنگستن (WO3) استفاده ‏شود ]۳[.
اکسید نیکل بدون آلایش دارای انرژی گاف نواری مستقیم و پهن در گسترۀ eV 0/4-6/3 و چگالی g/cm3 ۶۷/۶ است. هنگامی که در حضور هوا گرم می‏شود به خاطر تولید تهی‏جاهای Ni2⁺ در ساختار NiO، نیم‏رسانندگی نوعp- نشان می‏دهد ]۱[. 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)[۲] 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 NiOx غیر استوکیومتری می‏شود. NiO استوکیومتری یک عایق با      مقاومت ویژه از مرتبۀ Ω ۱۰۱۳ 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 ]۴[.
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 ]۵[.
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° ۴۰۰ گرم می‏شود می‏تواند اکسیژن را جذب کند و به Ni2O3 تبدیل شود. هنگامی که تا C° ۶۰۰ گرم می‏شود دوباره به NiO تبدیل می‏شود
۱-۲ 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 شده ‏اند.
یکی از ساختارهای بلورین اکسید نیکل، ساختار هگزاگونال با ثابت‏های شبکه nm 295/0=a و  nm 723/0=c است ]۶[. این ساختار در شکل ۱-۱ نشان داده شده است.
شکل ۱-۱: ساختار هگزاگونال
ساختار بلورین دیگر، یک ساختار مکعبی مانند ساختار کلرید سدیم (NaCl) با پارامتر شبکه      Å ۱۹۵/۴=a می‏باشد ]۷[ که در شکل ۱-۲ نشان داده شده است.
شکل ۱-۲: ساختار مکعبی
۱-۳ خواص الکتریکی و اپتیکی
خواص الکتریکی فیلم‏های نازک NiO نشان می‏دهد که آن‏ها نیم‏رساناهای نوع-p هستند. مقاومت ویژه این فیلم‏ها می‏تواند با افزایش غلظت حفره کاهش یابد. کاهش مقاومت ویژه به وسیلۀ افزایش تعداد نقص‏های ذاتی مانند تهی‏جاهای نیکل، اکسیژن میانین و یا به وسیلۀ آلایش با یون‏های تک ظرفیت مانند لیتیم می‏تواند به دست آید ]۸[. یکی از مهم‏ترین خواص اپتیکی و الکتریکی اکسید نیکل خاصیت الکتروکرومیک آن است که به این خاصیت، خاصیت اپتوالکتریکی هم گفته می‏شود. در همین راستا به معرفی مواد الکتروکرومیک و انواع مواد الکتروکرومیک می‏پردازیم.
۱-۳-۱ مواد الکتروکرومیک
موادی که قادر هستند خواص اپتیکی خود را به عنوان یک پاسخ به محرک خارجی تغییر دهند به عنوان کروموژنیک[۳] شناخته می‏شوند. این تغییر در خواص اپتیکی می‏تواند از طریق پرتودهی با نور (مواد فوتوکرومیک[۴])، تغییر در دما (مواد ترموکرومیک[۵]) و به کار بردن یک ولتاژ الکتریکی (مواد الکتروکرومیک[۶]) اتفاق بیفتد ]۹[ .
اثر الکتروکرومیک برای نخستین بار در سال ۱۹۶۰ در فیلم‏های نازک اکسیدهای فلزات واسطه مانند WO3 و MoO3 کشف شد. هنگامی که یک اختلاف پتانسیل به دو سر یک مادۀ الکتروکرومیک اعمال می‏شود می‏تواند در جریان اکسایش و کاهش الکتروشیمیایی خواص اپتیکی خود را تغییر دهد. خواص اپتیکی باید برگشت‏پذیر باشند، به این معنی که اگر قطبش ولتاژ تغییر داده ‏شود حالت اولیه باید قابل بازیافت باشد. در فرآیند الکتروکرومیسم[۷] یک ماده می‏تواند تحت تأثیر میدان یا جریان الکتریکی اعمال شده تغییر رنگ پایا و برگشت‏پذیر نشان دهد ]۱۰[. از میان مواد الکتروکرومیک آلی و غیر آلی بسیار، اکسیدهای فلزات واسطه بیشتر مطالعه شده ‏اند زیرا آن‏ها تغییر قابل توجهی در استوکیومتری نشان می‏دهند ]۱۱[.
۱-۳-۲ انواع مواد الکتروکرومیک
مواد الکتروکرومیک دو نوع هستند: ۱- مواد الکتروکرومیک کاتدی که به محض کسب یون یا الکترون تغییر رنگ می‏دهند. ۲- مواد الکتروکرومیک آندی که به محض از دست دادن یون یا الکترون تغییر رنگ می‏دهند.
اکسید تنگستن WO3)) یک مادۀ الکتروکرومیک کاتدی است که به محض کسب یون یا الکترون آبی رنگ می‏شود. اکسید نیکل NiO)) یک مادۀ الکتروکرومیک آندی است که به محض از دست دادن یون یا الکترون خاکستری رنگ می‏شود. در صورت معکوس شدن فرآیندها این مواد، شفاف       می‏شوند ]۱۲[.
۱-۴ کاربرد‏های اکسید نیکل
از جمله کاربردهای NiO می‏توان به موارد زیر اشاره کرد:
نیم‏رسانای نوع-p شفاف ]۱۴-۱۳[، کاتالیزور ]۱۵[، حسگر گازی برای انواع مختلفی از گازها ]۱۶[، الکترود در باطری‏های یون لیتیم ]۱۷[، فیلم‏های الکتروکرومیک ]۱۸[، لایۀ آنتی فرومغناطیس ]۱۹[، سلول‏های خورشیدی ]۲۰[، سوپرخازن‏های الکتروشیمیایی ]۲۳-۲۱[، دستگاه‏های فوتوولتایی ]۲۴[ و پنجره‏های هوشمند ]۲۵[. در این میان به کاربرد NiO در حسگرهای گازی (فصل دوم) و پنجره‏های هوشمند می‏پردازیم.

تعداد صفحه : ۱۲۰
قیمت : ۱۴۷۰۰ تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        ****       [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.