دانلود پایان نامه 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

(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 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 ]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

1-3 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 ]8[. 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.

1-3-1 مواد الکتروکرومیک

موادی که قادر هستند خواص اپتیکی خود را به عنوان یک پاسخ به محرک خارجی تغییر دهند به عنوان کروموژنیک[3] شناخته می‏شوند. این تغییر در خواص اپتیکی می‏تواند از طریق پرتودهی با نور (مواد فوتوکرومیک[4])، تغییر در دما (مواد ترموکرومیک[5]) و به کار بردن یک ولتاژ الکتریکی (مواد الکتروکرومیک[6]) اتفاق بیفتد ]9[ .

اثر الکتروکرومیک برای نخستین بار در سال 1960 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[7] یک ماده می‏تواند تحت تأثیر میدان یا جریان الکتریکی اعمال شده تغییر رنگ پایا و برگشت‏پذیر نشان دهد ]10[. از میان مواد الکتروکرومیک آلی و غیر آلی بسیار، اکسیدهای فلزات واسطه بیشتر مطالعه شده‏اند زیرا آن‏ها تغییر قابل توجهی در استوکیومتری نشان می‏دهند ]11[.

1-3-2 انواع مواد الکتروکرومیک

مواد الکتروکرومیک دو نوع هستند: 1- مواد الکتروکرومیک کاتدی که به محض کسب یون یا الکترون تغییر رنگ می‏دهند. 2- 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 ]12[.

1-4 کاربرد‏های اکسید نیکل

از جمله کاربردهای NiO می‏توان به موارد زیر اشاره کرد:

نیم‏رسانای نوع-p شفاف ]14-13[، کاتالیزور ]15[، حسگر گازی برای انواع مختلفی از گازها ]16[، الکترود در باطری‏های یون لیتیم ]17[، فیلم‏های الکتروکرومیک ]18[، لایۀ آنتی فرومغناطیس ]19[، سلول‏های خورشیدی ]20[، سوپرخازن‏های الکتروشیمیایی ]23-21[، دستگاه‏های فوتوولتایی ]24[ و پنجره‏های هوشمند ]25[. در این میان به کاربرد NiO در حسگرهای گازی (فصل دوم) و پنجره‏های هوشمند می‏پردازیم.

تعداد صفحه : 120

قیمت :14700 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.