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،
(1-1) |
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 NiOx 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.
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 فرایند 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 فرایندها 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 : * serderehi@gmail.com
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.
14,700 تومانافزودن به سبد خرید