پایان نامه بررسی اثر پارامتر زمان و حضور ناخالصی فلزی در خواص ساختاری و اپتیکی لایههای نازک اکسید آهن تهیه شده به روش حمام شیمیایی
فهرست محتوا
چکیده
در این پایان نامه با ثابت نگه داشتن عوامل مؤثری مانند pH و فشار و غلظت و دما لایههای نازک اکسید آهن به روش حمام شیمیایی در سه زمان متفاوت 30 دقیقه، 60 دقیقه و 90 دقیقه و همچنین لایههای نازک اکسید آهن با آلاییده شدن به عناصر ناخالص فلزی آلومینیوم و روی و مس ساخته شدهاند. سپس خواص ساختاری و مورفولوژی و ساختار بلوری لایههای نازک تهیه شده توسط آنالیزهای XRD و SEM و AFM بررسی گردیده است و پارامترهای اپتیکی R و T و α و Eg (گاف انرژی) توسط آنالیز اسپکتروفتومتری بدست آمده است و نتایج بدست آمده با آزمایشات مشابه سایر محققین مقایسه گردیده است. افزایش زمان انباشت و افزودن ناخالصیهای فلزی کلاً ساختار بلوری و خواص ساختاری و مورفولوژی لایههای نازک تهیه شده را تحت تأثیر قرار داده و منجر به تغییر آنها شده است و همچنین در پارامترهای اپتیکی نیز تغییرات مؤثری ایجاد شده است. لایه نازک اکسید آهن تهیه شده در طول زمان 60 دقیقه و لایه نازک اکسید آهن آلاییده شده به عنصر ناخالصی فلزی روی خواص ساختاری و مورفولوژی و ساختار بلوری ایده آلی از خود نشان دادند.
کلمات کلیدی: لایه نازک اکسید آهن، فلز مس، فلز روی، فلز آلومینیوم، میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ نیروی اتمی، پراش اشعه ایکس (XRD)، اسپکتروفتومتری.
فهرست مطالب
عنوان
- مقدمه. 1
- فصل اول: نانو تکنولوژی و نانو ساختارها
- 1-1- مقدمه. 4
- 1-2- مفهوم نانو تکنولوژی و تاریخچه آن. 5
- 1-3- نانو ساختارها 11
- 1-4- نانو ذرات… 12
- 1-5- روشهای تولید نانو ذرات… 14
- 1-5-1- روش فیزیکی.. 14
- 1-5-2- روش شیمیایی.. 15
- 1-6- نانو لایهها 17
- 1-7- نانو مواد. 18
- فصل دوم: روشهای ساخت لایههای نازک
- 2-1- مقدمه. 21
- 2-2- تعریف لایههای نازک…. 22
- 2-3- روشهای ساخت لایههای نازک…. 23
- 2-3-1- روش شیمیایی.. 24
- 2-3-1-1- انباشت به روش تبخیر شیمیایی.. 24
- 2-3-1-2- روش انباشت الکترولیتی کاتد. 26
- 2-3-1-3- انباشت به روش حمام شیمیایی.. 27
- 2-3-2- روشهای فیزیک انباشت لایههای نازک…. 28
- 2-3-2-1- انباشت به روش تبخیر فیزیکی.. 28
- 2-3-2-2- انباشت به روش کندوپاش… 30
- 2-3-2-3- انباشت به روش روکش کاری یونی.. 32
- 2-4- مکانیسم رشد لایههای نازک…. 33
- 2-5- خواص لایههای نازک (شش گانه) 35
- 2-5-1- خواص مکانیکی.. 36
- 2-5-2- خواص الکتریکی.. 37
- 2-5-3- خواص مغناطیسی.. 38
- 2-5-4- خواص اپتیکی (نوری) 40
- 2-5-5- خواص حرارتی.. 41
- 2-5-6- خواص شیمیایی.. 41
- 2-6- اهمیت و کاربردهای لایههای نازک…. 42
- 2-6-1-کاربرد لایههای نازک در صنعت و تجارت… 43
- 2-6-2- کاربرد لایههای نازک در پزشکی.. 50
- 2-7- آشنایی با برخی از آنالیزهای لایههای نازک…. 54
- 2-7-1- آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD) 54
- 2-7-2- آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) 61
- 2-7-3- آنالیز میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) 67
- 2-7-4- آنالیز اسپکتروفتومتری.. 70
- فصل سوم: معرفی ساختار و خواص اکسیدآهن، آلومینیوم، مس و روی و معرفی روش لایه نشانی حمام شیمیایی
- 3-1- مقدمه. 74
- 3-2- معرفی آهن و تاریخچه آن. 75
- 3-3- اهمیت آهن و کاربرد آن در صنعت و پزشکی.. 77
- 3-4- معرفی اکسید آهن.. 79
- 3-5- ساختار و خواص اکسیدآهن.. 80
- 3-6- اهمیت اکسید آهن و کاربرد آن در صنعت و پزشکی.. 81
- 3-7- معرفی آلومینیوم (پارامتر ناخالصی) 82
- 3-8- معرفی روی (پارامتر ناخالصی) 84
- 3-9- معرفی مس (پارامتر ناخالصی) 86
- 3-10- معرفی حمام شیمیایی برای ساخت لایههای نازک اکسید آهن.. 89
- 3-11 مکانیسم انباشت به روش حمام شیمیایی (CBD) 91
- 3-12- مزایا و معایب روش رسوب در حمامهای شیمیایی.. 94
- فصل چهارم: ساخت و بررسی خواص ساختاری و نوری لایههای نازک اکسید آهن
- 4-1- مقدمه. 96
- 4-2- ساخت لایههای نازک اکسید آهن به روش حمام شیمیایی.. 96
- 4-2-1- شرح روش ساخت مربوط به اثر پارامتر زمان. 97
- 4-2-2- شرح روش ساخت لایههای نازک اکسید آهن مربوط به آلاییده شدن با عناصر ناخالصی فلزی.. 99
- 4-3- بررسی خواص ساختاری و نوری لایههای نازک اکسید آهن مربوط به پارامتر زمان. 102
- 4-3-1- بررسی آنالیزهای پراش اشعه ایکس (XRD) نمونههای ساخته شده مربوط به اثر پارامتر زمان. 102
- 4-3-2- بررسی آنالیزهای میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونههای ساخته شده مربوط به اثر پارامتر زمان. 104
- 4-3-3- بررسی آنالیز میکروسکوپ نیروی اتمی نمونههای ساخته شده مربوط به اثر پارامتر زمان. 108
- 4-3-4- بررسی آنالیزهای اسپکتروفتومتری نمونههای ساخته شده مربوط به اثر پارامتر زمان. 110
- 4-3-4-1- اسپکتروفتومتری – جذب و نشر. 113
- 4-3-4-2- اسپکتروفتومتری- گاف انرژی.. 115
- 4-4- بررسی خواص ساختاری و نوری لایههای نازک اکسید آهن مربوط به عناصر ناخالصی.. 117
- 4-4-1- بررسی آنالیزهای پراش اشعه ایکس (XRD) نمونههای ساخته شده مربوط به عناصر ناخالص…. 117
- 4-4-2- بررسی آنالیزهای میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونههای ساخته شده مربوط به عناصر ناخالص…. 118
- 4-4-3- بررسی آنالیزهای میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونههای ساخته شده مربوط به عناصر ناخالصی.. 122
- 4-4-4- بررسی آنالیزهای اسپکتروفتومتری نمونههای ساخته شده مربوط به عناصر ناخالصی.. 126
- 4-4-4-1- اسپکتروفتومتری – جذب نشر. 126
- 4-4-4-2- اسپکتروفتومتری – گاف انرژی.. 128
- فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری
- 5-1- بحث و نتایج کلی.. 130
- 5-2- موضوعات پیشنهادی.. 133
- منابع. 135
-
مقدمه
با گذر از میکروذرات به نانو ذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبه رو میشویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجمی و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی. اولین اثر کاهش اندازه ذرات افزایش سطح است، افزایش نسبت سطح به حجم نانو ذرات موجب میشود که اتمهای واقع در سطح اثر بسیار بیشتری نسبت به اتمهای درون حجم ذرات بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند.
این ویژگی واکنش پذیری نانو ذرات را به شدت افزایش میدهد به گونهای که ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخهای شدن داشته باشند. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانو تکنولوژی شکل دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود میباشد. مواد در مقیاس نانو رفتار کاملاً متفاوت، نامنظم و کنترل نشدهای از خود بروز میدهند. با کوچکتر شدن ذرات خواص نیز تغییر خواهند کرد. مثلاً فلزات، سختتر میشوند و سرامیک نرمتر میشود. لایههای نازک با ضخامت زیر میکرونی، با خواص ناشی از همان دو ویژگی اصلی آنها که شامل نازک بودن و بزرگی فوق العاده نسبت سطح به حجم است، کاربردهای فراوانی در فناوریهای نوین یافتهاند. برخی خصوصیاتی که در اثر نازک بودن سطح به وجود میآید، شامل افزایش مقاومت ویژه، ایجاد پدیده تداخل نور؛ پدیده تونل زنی، مقیاس شدگی سطحی، تغییر مماسی بحرانی ابر رساناها میباشد.
همچنین برخی خصوصیاتی که از بزرگی سطح لایههای نازک ناشی میشود شامل پدیده جذب سطحی فیزیکی و پدیده جذب سطحی شیمیایی، پدیده پخش و فعالسازی میباشد، با توجه به عملکرد و خواص لایههای نازک، میتوان از آنها جهت بهبود تکنولوژییهایی نظیر سلولهای خورشیدی، سنسورها، کاربردهای نوری، مهندسی الکترونیک و فرو الکترونیک و پزشکی و کشاورزی و…. استفاده کرد. امروزه کاربرد لایه نشانی در صنایع، موضوع توسعه یافتهای است، به گونهای که بخش بزرگی از زندگی مدرن را مدیون توسعه صنعت لایه نشانی میدانند. اکسید آهن ترکیب غیر آلی با فرمول Fe2O3 است که دارای چهار فاز متفاوت α و β و γ و ε میباشد که از طریق تغییر زمان، اندازه دانه، دما و فشار به یکدیگر تبدیل میشوند. در این پایان نامه بیشترین ساختار فریک مربوط به فاز α و کمترین آن مربوط به γ میباشد. اکسید آهن به علت خاصیت مغناطیسی ذرات آهن دارای کاربرد منحصر به فردی در زیست – پزشکی میباشد.
در فصل اول این پایان نامه به بیان مطالب مربوط به ذرات نانویی، نانو تکنولوژی، نانو ساختارها و خواص و کاربردهای آنها خواهیم پرداخت. در فصل دوم نیز به تعریف لایههای نازک و بررسی روشهای ساخت لایهها و توصیف آنالیزهای مربوط و نیز کاربردهای لایههای نازک در زمینههای صنعت و تجارت و پزشکی را مورد بحث قرار خواهیم داد.
در فصل سوم به معرفی آهن و ترکیباتش به ویژه اکسید آهن و همچنین به معرفی خواص ساختاری و کاربردهای اکسید آهن خواهیم پرداخت. در فصل چهارم طرز ساخت لایههای نازک اکسید آهن به روش حمام شیمیایی توضیح داده میشود و نتایج بدست آمده از آنالیزهای مربوط به خواص لایههای نازک اکسید آهن را بررسی خواهیم کرد.
فصل اول:
نانو تکنولوژی و نانو ساختارها
1-1- مقدمه
ما انسانهای سعادتمندی هستیم که در قرن بیست و یکم زندگی میکنیم به جرأت میتوان گفت تنها در این سالهاست که سرعت تحولات و دگرگونیها در معمولیترین ابزار به حدی رسیده است که قبل از اینکه استفاده از یک دستگاه یا ابزار مرسوم شود نوع پیشرفتهتر و کاملتر و ارزانتر آن وارد بازار شده است. تکنولوژی جدیدی که انقلاب صنعتی قرن بیست و یکم نامیده شده است تکنولوژی نانو است. نانو تکنولوژی مبتنی بر تغییر دیدگاه از دنیای قابل رویت در مقیاس متر به دنیای نامرئی اما واقعی در مقیاس نانومتر (10-9 متر) است که در سال 1959 توسط ریچارد فاینمن بعنوان یک نظریه علمی مطرح شد.
ورود به دنیای نانو به معنای گام نهادن به دنیای اتمهاست با کمک میکروسکوپهای بسیار قوی میتوان اتمها را دید از آنها عکسبرداری کرد و آنها را جابجا کرد و با ساخت اتم به اتم ترکیبات جدیدی با خواص جدید ساخت و زندگی بشر را متحول کرد. 118 قرن اولیه از 10000 سال پیش از میلاد مسیح تا سال 1800 بعد از میلاد فقط با سه دوره تاریخی عمده شناخته میشود: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن. هر یک از این دورههای تاریخی با مواد بدست آمده از طبیعت و دانش لازم برای ساخت صنایع مربوط به آن از دوره دیگر متمایز میشود. که پس از گذشت سالهای قرون وسطی در اروپا انقلاب صنعتی جهان رخ داد به طوری که چهار تکنولوژی عمده شامل تکنولوژی هستهای، پلاستیکها و مواد و بیوتکنولوژی نانو تنها در هفت دهه گذشته ظهور کردهاند.
1-2- مفهوم نانو تکنولوژی و تاریخچه آن
از پیشگامان نانو تکنولوژی میتوان به دکتر ریچارد فاینمن اشاره کرد او در دوران زندگی علمی خود جوایز بیشماری من الجمله جایزه آلبرت انیشتن، جایزه لورنس و بالاخره بدلیل رسم نمودار مکان – زمان اثر متقابل ذرات که امروزه دیاگرام فاینمن نامیده میشود برنده جایزه نوبل در سال 1965 شد. او در سال 1959 در یک مهمانی شام که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود سخنرانی مشهور خود را با عنوان فضای زیادی در آن پایین وجود دارد ارائه کرد او در این سخنرانی نانو تکنولوژی را معرفی کرد و به قابلیتهای شگرف آن اشاره نمود. از همین روست که او را پدر نانو تکنولوژی مینامند.
در ادامه میتوان به میلدر درسلهاس، دانشمند زنی که نظریه شاهکار او در زمینه اینکه نانو لولههای کربنی بسته به شکل هندسی خود فلزی یا نیمههادی میتوانند باشند کمک قابل توجهی به تحقیقات در نانو تکنولوژی کرده است. دکتر اریک در کسلر در کتاب معروف خود با عنوان موتورهای آفرینش توانمندی نانو تکنولوژی را برای حل مشکلات جامعه بشری معرفی کرد.
دکتر ریچارد اسمالی به همراه رابرت کرل وهارولد کروتو. در سال 1985 شکل جدیدی از کربن را کشف کردند این شکل جدید از 60 اتم کربن که به شکل یک کره کامل بهم پیوستهاند تشکیل شده است و با کمینیتر فولرن یا باکی بال یا فولرن نامیده میشود. فولرنها خواص شگفت انگیزی مخصوصاً در تهیه دارو دارند ریچارد اسمالی اعتقاد داشت با استفاده از نانوتکنولوژی با تولید انرژی فراوان ارزان قیمت سایر مشکلات جوامع بشری از قبیل گرسنگی، و کمبود آب و سایر معضلات زیست محیطی حل خواهند شد.
دکتر سومیو ایجیما یکی از معدود محققینی است که نخستین نانو لولههای کربنی تولید شده در دنیا را دیده است. این تجربه زیبا در سال 1991 در مرکز تحقیقاتی ژاپن هنگامی که او از فرایند قوس الکتریکی بر ر.ی انبوهی از دوده استفاده میکرد رخ داده است. البته در مورد نانو لولههای کربنی لازم به ذکر است که نانو لولههای کربنی مولکولهایی هستند که با استفاده از ولتاژ پایین قادر به آزاد کردن الکترون میباشند. این به این معنی است که از نانو لولههای کربنی به عنوان هدایت کنندههای مؤثر با قدرت کم میتوان استفاده نمود.
دکتر رابرت ای فریتاس در سال 1980 گزارش درباره امکان ساخت کارخانههای فضایی تکثیر شونده نوشته است. همچنین او کتاب نانو پزشکی را با موضوع توانمندی نانو تکنولوژی در ساخت نانو روباتهای پزشکی در سال 1999 منتشر کرد. فریتاس در سال 2004 با همکاری رالف. مرکل کتاب سینماتیک ماشینهای تکثیر شونده را که نخستین کتاب در زمینه فیزیک ماشینهای تکثیر شونده است را منتشر نموده است.
انسان با الهام از طبیعت قوانین نانو تکنولوژی را کشف نموده و بدین ترتیب به روش ساخت سیستمهای کوچکتر، سبکتر، قویتر، مؤثرتر و ارزانتر دست یافته است. پیچیدهترین و کاربردیترین مواد و ماشینها در ابعاد نانومتری توسط طبیعت ساخته شدهاند. پروتئینها و سایر مولکولهای کوچک سیستمهای طبیعی را با دقت شگفت انگیزی سازماندهی و کنترل میکنند. مواد هوشمند و یا مواد فوق العاده محکم نیز در طبیعت به وفور یافت میشوند تارهای محکم عنکبوت و برگهای غیر قابل نفوذ گل نیلوفر و ساختار صدف حلزون دریایی مثالهایی از این مواد هستند.
گل نیلوفر آبی با اینکه در دریاچهها و رودخانههای گل آلود است اما برگهای آن همواره درخشان و بدون لکههای گل دیده میشوند نتایج مطالعات نشان میدهد که این گیاه از یک مکانیسم طبیعی برای حفظ تمیزی برگهای خود استفاده میکند. برگهای گل نیلوفر هرگز مرطوب نمیشوند و قطرات آب از روی برگهای نیلوفر همانند قطرات جیوه به پایین میغلتد و آلودگیها را از روی سطح برگ میشوید که این پدیده به اثر نیلوفر مشهور است که نانو تکنولوژیستها با الهام از این پدیده اقدام به تهیه رنگها و پوششهای نانویی نمودهاند. صدف نرم تنان از جمله حلزون دریایی یک سیستم دفاعی نانو ساختار پیشرفته محکم و سبک دارد. صدف از 95 درصد کربنات کلسیم و 5 درصد پلیمر زیستی انعطاف پذیر که مادهای نسبتاً ضعیف میباشد تشکیل شده است این مواد بصورت یک ساختار آجر و ملات با انباشته شدن میلیونها صفحه سرامیکی بهاندازه چند هزار نانومتر بر روی یکدیگر تشکیل شدهاند از این صفحات توسط لایه نازکی از پلیمر زیستی مذکور بهم چسبدهاند پیچیدگی مشاهده شده در نانو ساختار صدف واقعاً شگفت انگیز است و بنظر میرسد که عامل تعیین کننده سختی و استحکام این مواد باشد.
درک اصولی طراحی چنین سیستم زرهی طبیعی میتواند به مهندسین و طراحان در طراحی پوششهای سخت پیشرفته کمک کند هم اکنون در MIT آمریکا محققین در حال مطالعه ساختار مکانیکی لایهٔ سخت نانومتری صدف نرم تنان میباشند با جایگزین کردن قطعات ضعیف ساختمان صدف با مواد محکمتر میتوان کامپوزیتهای بسیار سخت و محکم برای استفاده در پوششهای زرهی دفاعی یا کاربردهای ساختاری مانند پانلهای خودروها و بال هواپیماها و غیره بدست آورد.
در نمونه دیگر میتوان به ساختار نانویی پاهای مارمولک اشاره کرد. مارمولک میتواند روی شیشه، دیوار و سقف خانه راه برود و حتی میتواند بطور وارونه از آنها آویزان شود علت این امر وجود موهای نانومتری روی پاهای مارمولک است.
Abstract
In this thesis, to maintain effective factors such as pH, pressure, temperature and concentration of iron oxide thin films by chemical bath at three different times in 30 minutes, 60 minutes and 90 minutes and also thin layers of iron oxide doped with the elements gross metallic aluminum and zinc and copper were made. Then structure and morphology properties of thin layers of crystalline has been checked by XRD and SEM and AFM analysis. And optical parameters such as R and T and α and Eg (energy gap) is obtained by spectrophotometric analysis and the results were compared with similar experiments of other researchers. Increase time of accumulation and adding metal impurities affect the crystal structure and the structure and morphology properties of thin layers and leads to change them and it is also created effective change in optical parameters. Thin layer of iron oxide produced during the time of 60 minutes and thin layer of iron oxide doped metal impurities on the properties of the element showed ideal the structure and morphology and crystal structure.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.