3-8) شستن زیر لایه38
3-9) تهیه محلول نیترات نیکل39
3-10) تهیه محلول سدیم سلنو سولفات40
3-11) تهیه محلول نهایی42
3-12) مشخصه یابی نمونه ها44
3-13) اندازه گیری گاف انرژی نواری44
3-14) تحلیل طرح پراش پرتوx44
فصل چهارم
بحث و نتیجه گیری45
4-1) مقدمه46
4-2)بررسی خواص فیزیکی لایه های نازک.NiSe46
4-2-1) پراش اشعه ایکس46
4-2-2) میکروسکوپ الکترونی روبشی49
4-3) بررسی خواص نوری لایه نازک سلنید نیکل54
4-3-1) گاف انرژی55
4-3-2) تعیین گاف انرژی55
4-4) بحث و نتیجه گیری61
4-5)پیشنهادات62
منابع و مراجع
منابع ومراجع63
فصل اول
جدول1-1) معرفی برخی خصوصیات از چند نیمرسانای مهم16
فصل دوم
جدول 2-1) دادههای پراش پرتو ایکس فیلم های NiSو NiSe25
فصل سوم
جدول3-1) مشخصات پودر و محلول اولیه جهت تهیه محلول نیترات نیکل39
جدول 3-2) مواد اولیه برای تهیه سدیم سلنوسولفات41
فصل چهارم
جدول4-1 گاف انرژی لایه های نازک NiSe در سه pH متفاوت56
فصل اول
شکل 1-1) تصویر هندسی دوربین پودری دبای – شرر10
شکل1-2) روند حبس حاملهای بار در نانو مواد13
شکل1-3) گاف نواری نیمرسانای گاف مستقیم وگاف غیر مستقیم17
شکل1-4) ترازهای انرژی گسسته شده و گاف انرژی افزایش یافته نانو ذرات21
فصل دوم
شکل2-1) طیف جذب اپتیکی فیلم نازک NiS،(a) فیلم نازک NiSe رسوبگیری شده بر روی فلوراید کلسیم در دمای اتاق(b) 26
شکل2-2) نمودارهای جذب نیکل سلنید تهیه شده با: روش اول(a)- روش دوم(b)
روش سوم(c)27
شکل2-3 نمودار XRD نانو ذرات نیکل سلنید تهیه شده با روش اول(a)- روش دوم
(b)-روش سوم(c)29
شکل2-4) تصویر نانو ذرات سلنید نیکل تهیه شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM)) است با روش اول30
شکل2-5) تصویر نانو ذرات سلنید نیکل تهیه شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به روش دوم30
شکل2-6) تصویر نانو ذرات سلنید نیکل تهیه شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به روش سوم31
فصل سوم
شکل3-1) رسوبگیری به روش حمام شیمیایی36
شکل3-2)دستگاه التراسونیک38
شکل3-3)تغیر رنگ نیکل با افزودن تدریجی آمونیاک40
شکل(3-4) تهیه محلول سلنو سولفیت41
شکل3-5) pH متر دیجیتالی42
شکل 3- 6)رنگ محلول نهایی در pHهای متفاوت43
شکل3-7) لایه نازک نیکل سلنید درpHهای متفاوت43
فصل چهارم
شکل4-1)نمودارXRDنانو ذره سلنید نیکل با47/11=pH48
شکل4-2) نمودارXRDنانو ذره سلنید نیکل با12/12=pH48
شکل4-3) نمودارXRDنانو ذره سلنید نیکل با38/12=pH49
شکل 4-4) تصویرSEM نمونه در37/11=pH51
شکل 4-5) تصویرSEM نمونه در12/12=pH53

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل 4-6) تصویرSEM نمونه در38/12= pH54
شکل 4-7 )نمودار طیف جذبی سلنید نیکل در دمایC˚35 با سه pH متفاوت55
شکل 4-8 )گاف انرژی در47/11= pHو زمان رسوبگیری14 ساعته57
شکل 4-9)گاف انرژی در12/12=pH و زمان رسوبگیری14 ساعته 57
شکل4-10) گاف انرژی در38/12=pH و زمان رسوبگیری14 ساعته58

شکل4-11) گاف انرژی در47/11= pHو زمان رسوبگیری38 ساعته58
شکل4-12) گاف انرژی در12/12=pH و زمان رسوبگیری38ساعته59
شکل4-13) گاف انرژی در38/12=pH و زمان رسوبگیری38 ساعته59
شکل4-14) گاف انرژی در47/11= pHو زمان رسوبگیری62 ساعته60
شکل4-15) گاف انرژی در12/12=pH و زمان رسوبگیری62ساعته60
شکل4-16) گاف انرژی در38/12=pH و زمان رسوبگیری62 ساعته61
فصل اول
کلیات
نانو چیست؟
پیشوند نانو در کلمهی نانو فناوری به معنای یک بیلیونیوم (9- 10) است. نانو فناوری به ساختارهای گوناگون موادی میپردازد که دارای ابعادی در حدود یک بیلیونیم متر میباشد. در حالی که کلمه نانو فناوری نسبتاً جدید است، وجود مجموعههای فعال و ساختارهایی با ابعاد نانو متری تازگی ندارند و در حقیقت چنین ساختارهایی به اندازه طول عمر حیات در روی زمین وجود داشتهاند. آبالون1 که نوعی نرم تن یا حلزون است، پوستههای صدفی بسیار سختی را میسازد که دارای رویههای درونی با نمای قوس و قزحی میباشد. چنین رویههایی از آجرهای سختی از کلسیم کربنات با ابعاد نانو درست شدهاند که به کمک چسبی مرکب از مخلوطی از یک کربوهیدرات و پروتئین در کنار هم قرار گرفتهاند. ترکهای بوجود آمده در سطح بیرونی، به دلیل وجود آجرهایی با ساختار نانو، قادر به گسترش در سرتاسر پوسته صدفی نمیباشند. پوستههای صدفی، نمایشی طبیعی از ساختاری را نشان میدهند که از ذراتی به ابعاد نانو درست شده است و میتواند بسیار سخت باشد[1].
روند نانو فناوری، به طور خاص در ساخت نانو نقاط طلا، کار جدیدی نیست. بیشتر شیشههای رنگی پنجرههایی که در کلیساهای دوره رنسانس یافت میشد و برخی از ظروف سفالی جلا دار و صیقل یافته مربوط به دوران سفالی باستان، به این واقعیت متکی بود که خصوصیات مقیاس نانوی مواد از خصوصیات بزرگ مقیاس آنها متفاوت هستند بویژه ذرات طلای نانو مقیاس می توانند نارنجی، بنفش، قرمز یا سبز رنگ باشند که وابسته به اندازه آنهاست. به عبارتی نخستین نانو فناوران در حقیقت شیشهکاران ریخته گریهای دوره رنسانس
بودند نه سفیدپوشان کارخانه نیمه هادی پیشرفته. شیشهکاران و جام اندازان قدیم به وضوح نمیدانستند که چرا کاری که با طلا میکنند این رنگها را به بار می آورد، در حالی که ما امروز می دانیم.
یکی از بنیانگذاران شرکت اینتل، دو قانون تجربی را متذکر شد تا پیشرفتهای شگفت انگیز در الکترونیک مدارات مجتمع را توصیف کند: قانون اول مور(که اغلب آنرا قانون مور می نامند) میگوید مقدار فضای لازم برای نصب یک ترانزیستور روی یک تراشه به طور تقریبی هر 18 ماه به نصف کاهش مییابد این بدان معنی است که نقطهایی که 15 سال پیش میتوانست یک ترانزیستور را نگه دارد، اکنون میتواند ترانزیستور را نگه دارد اما قانون دوم مور، پیامدی از قانون اول است که پیش بینی میکند هزینه ساخت یک کارخانه تولید تراشه(یا همان خط تولید آن) با بروز هر نسل از تراشه ها یا حدودا هر 36 ماه دو برابر می شود[2].
اساساً ایده رسیدن به اندازههای کوچک در یک فناوری ریز شده از دیدگاههای مختلفی جالب توجه میباشد. در صورت رسیدن اندازه به محدوده مقیاس اتم، قوانین فیزیک از حالت کلاسیک خارج شده و از قوانین مکانیک کوانتومی نانو فیزیکی پیروی می نماید. نحوه تغییر رفتار از حالت کلاسیکی و در ادامه به مقیاس اتمی در محدوده فیزیکی قابل درک است، لیکن جزئیات موارد خاص، پیچیده و متفاوت بوده و نیاز به تجزیه و تحلیل بیشتری دارد. اگر چه ممکن است گذار از فیزیک کلاسیک به نانو فیزیک باعث بروز ایرادهایی در ادوات موجود گردد، ولی میتواند سبب گشوده شدن مولفههای دیگری برای توسعه ادوات جدید گردد.
به کاستن اندازه ماشینهای حاضر از یک میلی متر به یک نانو متر فکر کنید، کاهشی از مرتبه شش در ابعاد، در این محدوده تغییرات ابعادی و شاید تا 5 مرتبه اول تا حدود اندازه 10 نانومتر قوانین فیزیک کلاسیک نیوتنی بتواند نحوه رفتار ماده را تشریح نماید. این محدوده تغیرات ابعادی بسیار وسیع بوده وبنابراین تغییر مقداری خواص مهم فیزیکی مانند فرکانس ارتعاش نیز بسیار بزرگ خواهد بود که خود میتواند دری به سوی شکوفایی کاربردهای جدید باشد[3].
1-2) مقدمهای بر لایه های نازک
لایه نازک در واقع لایه ای از مواد است که ضخامت آن در محدوده کسری از یک نانومتر تا چند میکرومتر قرار گرفته باشد. اهمیت عمده لایه های نازک در صنایع الکترونیک، میکروالکترونیک و صنایع نوری میباشد که در سالهای اخیر با پیشرفت فناوری نانو، رشد قابل ملاحظه ای را در اصلاح خواص سطحی مواد داشته است. لایههای نازک دارای خواصی ویژه هستند که با خواص مواد مربوطه آنها در حالت حجمی به میزان قابل ملاحظهای متفاوت است. این تفاوت به واسطه ابعاد فیزیکی، شکل هندسی و ریزساختار آنها به وجود می آید. همچنین این ویژگیهای مشخصه لایههای نازک را می توان به میزان بسیار زیادی تغییر داده و به منظور حصول مشخصههای فیزیکی مورد نیاز و مطلوب تعدیل کرد. این ویژگیها پایه و اساس توسعه کاربردهای لایههای نازک در دستگاههای مختلف را تشکیل می دهند. لایههای نازک با خواصی ناشی از ویژگی اصلی آنها که شامل نازک بودن و بزرگی فوق العاده نسبت سطح به حجم است، کاربردهای فراوانی در فناوری های نوین یافته اند. برخی خصوصیاتی که در اثر نازک بودن سطح به وجود میآید شامل افزایش مقاومت ویژه و ایجاد پدیده تداخل نور
می باشد[4].
1-3) تاریخچه لایههای نازک
فناوری لایههای نازک قدمتی چندهزار ساله دارد. این فناوری، به طور همزمان، هم یکی از قدیمی ترین هنرها و هم یکی از جدیدترین علوم می باشد. احتمالاً مصریان اولین کسانی بودند که از هنر زرکوبی و طلاکاری برای تزیین و مقاوم سازی سطوح استفاده می کرده اند. در حدود چهار هزار سال پیش، هنر چکش کاری طلا با تولید ورقه های بسیار نازک زیبا و پایدار در برابر فرایندهای شیمیایی کاربرد داشته است[4].
1-4) ویژگیهای لایههای نازک
موقعی گفته می شود یک ماده جامد در شکل «لایه نازک» است، که به صورت لایه ای با ضخامت کم، در روی یک نگهدارنده جامد (زیرلایه) باشد، از ابتدا به وسیله چگالش ذرات انفرادی(اتمی،مولکولی یا یونی) تشکیل می شوند. این عمل ممکن است مستقیماً به وسیله یک فرایند فیزیکی (تبخیر- چگالش) و یا از طریق یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی صورت پذیرد. بایستی تأکید شود که فقط ضخامت کوچک این لایه ها نیست که خواص ویژه و برجسته لایه های نازک را به وجود می آورد، بلکه ریزساختار این لایه ها، که از روش منحصر به فرد تشکیل آنها به وسیله افزایش مداوم قطعات ساختمانی اولیه (اتمها، مولکولها یا یونها) یکی بعد از دیگری ناشی می شود، اهمیت بیشتری دارد [4].
1-5) روشهای ساخت لایه های نازک
روش‌های ساخت لایه‌های نازک به دو دسته عمده روش‌های فیزیکی و شیمیایی تقسیم‌بندی می‌شوند.
1-5-1) روش های فیزیکی
1-5-1-1) رسوب گذاری فیزیکی از فاز بخار
در رسوبگذاری بهروش تبخیر فیزیکی(PVD)2 پوششها روی سطوح جامد از طریق چگالش عنصرها و ترکیبها از فاز گازی تولید میشوند. تبخیر در خلاء، عمومیترین روش تهیه لایههای بسیار خالص و تحت شرایط نسبتا کنترل شده است. اصول این روش عموما بر اساس اثرهای کاملا فیزیکی پایهریزی میشود [5].
1-5-1-2) فرایند های تبخیر
تبخیر با فیلامان حرارتی
فرایند رسوبگذاری فیزیکی بخار با بهرهگیری از فیلامان حرارتی، امری ساده بهنظر میرسد. به این صورت که با بخار نمودن ماده هدف و نشاندن آن بر روی زیرلایه، سبب ایجاد
لایه نازک خواهد شد. از عواملی که سبب کنترل سرعت رسوبگذاری در این روش خواهند شد، دمای ذوب ماده هدف و فشار محفظه است. خوشبختانه این روش جزء روشهایی است که با آن قادر خواهیم بود مواد زیادی را پوششدهی نماییم[6].
تبخیر با اشعه الکترونی
تبخیر با اشعه الکترونی از جمله روشهایی است که جهت پوششدهی مواد با نقطه ذوب بالا بکار میرود. بنابراین جهت پوششدهی موادی چون TiNاستفاده از اشعه الکترونی و لیزر نیز امکانپذیر خواهد است. با این روش امکان رسوبگذاری فلزات، نیمرساناها و مواد عایق امکانپذیر میباشد. از جمله محدودیتهای روش فیزیکی، نیاز به خلاء است که فرایند تبخیر را امکانپذیر میسازد[6].
تبخیر با استفاده از انرژی لیزر
رسوبگذاری فیزیکی بخار با بهرهگیری از لیزر، جزء روشهای موثر در لایهنشانی بهشمار میرود. زیرا در این روش، انرژی لیزرهای مورد استفاده بهقدری بالا است که قادر خواهیم بود، مواد سختی چون سرامیکها و مواد غیرفلزی از جملهTiN را بر روی زیرلایه پوشش دهیم. بر اثر برخورد لیزر به ماده هدف، در حد واسط زیرلایه و ماده هدف، پلاسمای باریکی (حد فاصل بین زیرلایه و ماده هدف)تشکیل میگردد که اندازه آن میتواند در سرعت پوشش- دهی و ضخامت آن موثر باشد[6].
1-5-1-3) بر آرایی باریکه مولکولی
برآرایی باریکه مولکولی همان روش تبخیر است که به دستگاههای آنالیز سطحی از جمله XPS، AES، RHEE,D مجهز میباشد[7].
1-5-1-4) رسوب گذاری با بهره گیری از پرتو یونی
رسوبگذاری با بهرهگیری از باریکه یونی جزء روشهای فیزیکی لایهنشانی است. در این روش از یک تفنگ یونی که انرژیهایی در حد کیلو الکترونولت دارند، استفاده میشود.
مکانیزم عمل به این صورت است که حین فرایند تبخیر، این انرژی به انرژی اتمهای تبخیرشده که انرژی کمی دارند، (در حد دهم الکترون ولت) منتقل میشود و سبب میگردد که اتمهای با انرژی بیشتری روی سطح زیرلایه بنشیند و موجب ایجاد لایه نازک با چگالی بالایی خواهد شد [6].
1-5-1-5) فرایند کندوپاش3
فرایند کندوپاش، شامل کندن اتم به وسیله گاز کندوپاش کننده (مانند گاز آرگون) از سطح ماده هدف و نشاندن آن برروی زیرلایه است. بهدلیل اینکه این روش جزء روشهای رسوب گذاری فیزیکی بخار است، در این فرایند ایجاد لایههای نازک بهصورت مستقیمالخط صورت میگیرد. همچنین در فرایند کندوپاش، پلاسما نقش بهسزایی در کندن اتم از سطح دارد.
در روش کندوپاش، برخورد یون‌های سنگین و بی‌اثر مثل آرگون، که در یک میدان الکتریکی شتاب پیدا کرده‌اند، باعث کندن اتم‌های هدف از سطح و تبخیر آن درون محفظه خلاء می‌شود. سپس این اتم‌های پراکنده شده بر روی سطح زیرلایه، نشانده می‌شوند. در این روش فشار محفظه، ولتاژ و جریان عبوری، نوع و شکل هندسی هدف، شکل هندسی و شرایط سطحی زیرلایه و فاصله میان هدف و زیرلایه از جمله عوامل مهم و تأثیرگذار لایه‌نشانی می‌باشد. برای تولید لایه‌های نازک آلیاژی روش کندوپاش مناسب‌تر از روش تبخیر می‌باشد [8].
1-5-2)روش های شیمیایی
1-5-2-1) رسوب دهی شیمیایی از بخار(CVD)4
رسوبدهی شیمیایی از بخار به فرآیندی گفته میشود که شامل تجزیه و یا واکنشهای شیمیایی از واکنشگرهای گازی در یک محیط فعال شده مانند (گرما، نور و پلاسما) میشود و برای تولید و تشکیل یک محصول جامد پایدار استفاده میگردد[9].
این فرآیند متعلق به دستهای از فرآیندهاست که انتقالات مواد در آنها از طریق گازها صورت گرفته و رسوبات ایجاد شده از آن اتمها یا مولکولها و یا ترکیبی از آنها میباشد[10].
رسوب گذاری شامل واکنشهای همگن گازی و یا واکنشهای شیمیایی غیرهمگن در مجاورت یک سطح حرارت داده شده میباشد و در اثر این واکنشها به ترتیب پودرها و لایه هایی به دست میآید[9].
این روش رسوب گذاری اتمی میتواند موادی با خلوص بسیار بالا ایجاد کند که ساختار آن تا مقیاس اتمی یا نانومتری قابل کنترل میباشد همچنین این فرآیند میتواند موادی تک لایه، چند لایه، کامپوزیت، نانو ساختار و پوششهایی با ساختار دانه بندی معین با کنترل ابعادی بسیار عالی و ساختار یکنواخت در فشارهای پایین تولید کند[9].
رسوبدهی شیمیایی از بخاریک فرآیند مناسب برای ساخت و تولید پوششها، پودرها، فیبرها و اجزاء یکپارچه میباشد[10].
1-5-2-2) رسوبگیری از حمام شیمیایی(CBD)5
روش CBD شامل رونشانی کنترل شده یک محلول مرکب روی یک بستر مناسب است. اساس این روش بر این است که محلولهایی که قرار است بر روی بستر لایه نشانی شوند و در واقع متشکل از موادی هستند که ما میخواهیم از آنها به عنوان لایه استفاده کنیم، در داخل ظرفی ریخته میشوند و بعد بستر را به درون این ظرف فرو میبرند. با اینکار روی بستر لایه ای از ماده یا مواد مورد نظر تشکیل میشود[11].
1-6) مشخصهیابی نمونهها
1-6-1) طیف سنجی پراش پرتو ایکس
ناحیه پرتوx در طیف الکترو مغناطیس در محدوده بین پرتو γ و پرتو فرابنفش قرار دارد. با استفاده از این ناحیه طیفی می توان اطلاعاتی در خصوص ساختار ،جنس ماده و نیز تعین مقادیر عناصر به دست آورد از این رو روش های پرتو xدر شیمی تجزیه کاربرد زیادی دارد [12].اگر یک دسته الکترون سریع و پر انرژی به یک هدف فلزی در یک لوله تخلیه برخورد کند الکترون ها در این برخورد سرعت خود را از دست داده و قسمتی از انرژی جنبشی آن ها به پرتو xتبدیل میگردد. پرتو حاصل که به صورت یک طیف پیوسته ظاهر میشود دارای حداقل طول موج یا حداکثر فرکانس است.
با افزایش پتانسیل میتوان انرژی الکترونها را به حدی رساند که قادر باشد یک الکترون از تراز انرژی k اتم هدف خارج کند. در نتیجه الکترون ترازL جای خالی این الکترون را پر می کند و یک فوتون پرتوx خارج میگردد. بدین ترتیب طیف پیوسته پرتو x شامل یک خط طیفی یا خط ویژه عنصر مربوطه خواهد بود و آن را kα می نامند. انرژی این خط ویژه توسط معادله زیر تعیین می گردد:
Ekα=EL- Ek
سایر جهش های الکترونی از تراز های بالاتر، مانند جهشK M →، موجب پیدایش خط طیفی دیگری مانند kβ می شود[13].
1-6-1-1)پراش پرتوx
با روش پراش پرتو x طول موجهای مختلف را میتوان جدا ساخته و اندازهگیری نمود. چون طول موجهای پرتوx با فواصل بین اتمها در مواد بلوری برابر است، بنابراین مواد بلوری برای پرتو x میتوانند نقش توری پراش را ایفا کنند. بخشی از تابش پرتوx به سطح بلور توسط اتمهای اولین لایه پخش شده است و قسمت دیگر آن توسط لایه دوم پخش می گردد و الی آخر. طبق رابطه براگ پدیده بازتابش و پخش تداخل سازنده طول موج ها به شرح زیر بیان می شود:
2 d sinθ = n λ (1-1)
که d فاصله بین دو صفحه متوالی، θ زاویه پراش و λ طول موج می باشد رابطه اصلی براگ گویای این مطلب است که تقویت پرتو بازتابش شده از دو سطح مختلف بلورها زمانی حاصل می شود که اختلاف دو مسیر برای دو تابش نورانی برابر مضرب کاملی از طول موج باشد[14].
1-6-1-2) روشهای پراش پرتوx
از تک بلورهای با ساختار هندسی مشخص می توان به عنوان تکفام ساز در طیف سنج های پرتوx استفاده نمود.(شکل 2-1)
شکل 1-1) تصویر هندسی دوربین پودری دبای – شرر
پرتو از صافیF و موازی کننده C برای برخورد به نمونه x وارد می شود پرتو مرکزی منحرف نشده از داخل سوراخE که در فیلم P تعبیه شده است خارج می شود. پرتو پراشیده بر روی لایه در نقاطd1 و d2 و غیره اثر می گذارد.
یک دستگاه پراش که با شبکه پراش بلوری با فواصل مشخص و معلوم کار می کند و تحت عنوان طیف سنج پرتو x نامیده می شود، دقیقاً مشابه طیف سنج شبکه ای نورمرئی است. غالباً، برای پوشش تمام ناحیه طول موجی، چندین بلور تجزیهگر مورد نیاز است و باید بتوان آنها را با دقت فراوان بر پایهای سو ار و تعویض نمود. مؤثر بودن یک بلور در جدا کردن تابش های عناصر، توسط نمودار پراش تعیین میگردد[15].
1-6-2) میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM)6
با استفاده ازTEM تصاویر دو بعدی از نمو نهها به دست میآید. اصول کار این میکروسکوپ به این شرح است که نمونه را در مسیر الکترونهای پر انرژی قرار می دهند. با پراش الکترون از نواحی مختلف نمونه، تصویر مورد نظر در صفحه فلوئورسانسی که در مسیر الکترونها قرار داده شده است تشکیل میشود. ضخامت نمونه به گونهای است که الکترونها میتوانند از میان آن عبور کنند. به دلیل کوتاه بودن طول موج الکترونها، میکروسکوپ الکترونی قدرت تفکیک زیادی داشته و توانایی آشکارسازی جزئیات ساختارهای بسیار ریز را دارد از معایب این روش می توان به تاثیر پذیری نمونهها از تصویر برداری اشاره کرد.
1-6-3) میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)7
روش کار این میکروسکوپ مانند روش کار تلویزیون است. بدین صورت که پرتو الکترون فرودی در هر لحظه فقط به یک نقطه میتابد و تصویری از آن نقطه به صفحه نمایش ارسال میکند.با جاروب کردن سطح توسط پرتو الکترونی فرودی از هر نقطه اطلاعاتی به صفحه نمایش ارسال میشود که در نهایت با در کنار هم قرار گرفتن این تصاویر نقطه ایی، تصویر کامل از منطقه جاروب شده به دست میآید به طور عمده میکروسکوپهای الکترونی می توانند در تعیین ساختار داخلی مواد، تعیین نوع عناصر موجود در نمونه و درصد آنها،
تشخیص حوزههای مغناطیسی مواد و بررسی برخی دیگر از خواص مواد مورد استفاده قرار گیرند[16].
1-7) خواص تابع اندازه نانو ذرات
مطالعه و پژوهش در مورد نانوذرات به این دلیل که فرصتی برای درک خواص فیزیکی مواد با ابعاد کاهش یافته و همچنین مطالعه خواص سطوح به شمار میآید، از موضوعات جالب و مورد علاقه پژوهشگران از دو دهۀ پیش تاکنون بوده است[20-17]. مهمترین ویژگی نانوذرات، تابع اندازه بودن خواص آنها است. هنگامی که اندازه ذرات به یک مقدار بحرانی برسد، خواصی نظیر خواص ترمودینامیکی، مغناطیسی، مکانیکی، ساختاری، نوری و الکتریکی آنها دچار تغییر و تابع اندازه میشوند. برای مثال، نقطه ذوب ذراتCdS و طلا با کوچک شدن اندازهشان کاهش مییابد. میتوان وضعیت ظرفیت گرمایی هلیوم مایع و هلیوم هنگامی که در خوشههای 64 اتمی است را در مشاهده نمود. برخی دیگر از کمیتهای ترمودینامیکی نظیر انرژی چسبندگی، ظرفیت گرمایی، طول و قدرت پیوند و… نیز تابع اندازه هستند[21].
1-8) نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی، نانو بلورها‌ی نیمرسانابا قطر 2 تا 10 نانومتر هستند که بعد از تحریک شدن، از خود نور ساطع می‌کنند و به طور معمول از 200 تا 10000 اتم تشکیل شده‌اند. شکل 3-1 روند حبس نانو مواد در سه بعد را نشان میدهد
شکل1-2) روند حبس حاملهای بار در نانو مواد
ویژگی‌های نوری-فیزیکی منحصر به فرد این نقاط کوانتومی همراه با پیشرفت‌های قابل توجهی که در ساخت، پوشش‌دار کردن و اتصال انواع مولکول‌های زیستی، صورت گرفته است، پژوهشگران را بر آن داشته تا از این نانو ذرات به عنوان ردیاب‌های فلوئورسانتی موثر، در ردیابی سلول‌های موجودات زنده، تصویر‌برداری و تشخیص‌های پزشکی استفاده کنند. نقاط کوانتومی قابلیت تولید نور در طول موج‌های خاص را دارند، در واقع با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی، نور را در رنگ‌ها و طول موج‌های مختلف، منتشر می‌کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنید کادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می‌کند، درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده، نور قرمز منتشر می‌کند. به همین خاطر از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز می توان استفاده نمود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید در دماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند که برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع و خنک سازی الکترونیکی استفاده می‌شود. درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد[22].
1-9) گاف انرژی8
بالاترین نوار انرژی که با الکترونها در دمای صفر کلوین پر میشود نوار ظرفیت نامیده شده و نوار بالاتر از آن که در دمای صفر کلوین هیچ الکترونی در آن وجود ندارد باند رسانش نام دارد. بازه انرژی بین پایینترین نقطه باند هدایت و بالاترین نقطه باند ظرفیت را “گاف انرژی” یا Eg گویند و مهمترین مشخصه یک جامد است.
1-10) گاف انرژی در نیمرساناها
در نیمرساناها عموماً، انرژی گاف کمتر از 4 الکترون ولت و بیشتر از1/0 الکترون ولت بوده. رسانش الکتریکی در نیمرساناها توسط دو نوع حامل بار یعنی الکترونهای آزاد و حفره صورت می گیرد. در این مواد الکترونهای ظرفیت نمیتوانند آزادانه به هر سو حرکت کنند. الکترون ها هنگامی برانگیخته میشوند که بتوانند از گاف انرژی عبور کنند پایین نوار رسانش از الکترون ها پر میشود و بالای نوار ظرفیت از حفره ها پر میشود[23]. انرژی جنبشی حاملهای بار در نیمرسانای حجمی از طریق رابطه E= p^2/(2m^* ) به اندازه حرکت وابسته بوده که m*جرم موثر الکترون یا حفره(متفاوت از مقدار آن در خلاء) میباشد بنابراین، انرژی جنبشی از طریق رابطه پاشندگی انرژی، E=E(k) است که ساختار نواری انرژی را معرفی می کند. پیداست که وابستگی انرژی E به بردار موج یعنیk در فضای سه بعدی تکانه، سهمیوار و پیوسته میباشد.اگر صفر انرژی را بالای باند ظرفیت انتخاب کنیم انرژی باند هدایت به شکل زیر است:
Eϲ(k)= Eg + ħ²k²/(2mₑ*) (1-2)
کهk بردار موج و mₑ* جرم موثر الکترون و Egگاف انرژی است.انرژی باند ظرفیت به شکل
Ev(k)= – (ħ^2 k^2)/(2m_h^* ) (1-3)

است که *mh جرم موثر حفره است. ضمنا به خاطر شکل وارونه نوار ظرفیت، جرم موثر الکترون در نوار ظرفیت منفی است، ولی جرم موثر حفره مثبت است. لازم به ذکر است که
چون فاصله بین نزدیکترین اتم ها در جهتهای مختلف تغییر میکند شکل سطح انرژی شبه کروی بوده و کره کامل نمیباشد[24].
1-11) اکسیتون در نانو ذرات
در نیمرساناهای تودهای9 ، هنگامی که انرژی فوتون فرودی از انرژی گاف نواری بزرگتر باشد جفت الکترون و حفره آزاد تولید میگردد. در دمای معمولی، جدائی الکترون و حفره تا آنجا که هیچ جاذبهای بین آنها احساس نگردد، ادامه مییابد و میتوان در نهایت آنها را به طور مستقل فرض کرد. اگر انرژی فوتون فرودی اندکی از انرژی گاف نواری کمتر باشد الکترون و حفره میتوانند به یکدیگر نیروی کولمبی وارد کنند و شبه ذره ایی به نام اکسیتون را تشکیل دهند. این جفت الکترون و حفره، ترازهای هیدروژن مانندی را در منطقه ممنوعه بلور ایجاد میکنند. اکسیتون با حرکت خود در بلور انرژی حمل میکند ولی نمیتواند بار الکتریکی حمل نماید.
بسته به نوع پیوند الکترون و حفره، اکسیتون به دو نوع فرانکل و وانیر دستهبندی میگردد[25]. در حالتی که فاصله الکترون و حفره در مقایسه با ثابت شبکه بزرگ باشد، اکسیتون پیوند ضعیف داشته و “وانیر”10 نام دارد. درهنگامی که جدایی الکترون و حفره در مقایسه با ثابت شبکه کوچک باشد یعنی بین الکترون و حفره پیوند قوی برقرار باشد اکسیتون “فرانکل”11 نامیده میشود. اکسیتون وانیر به اتم هیدروژن شبیه است. بنابراین مشابه اتم هیدروژن، این اکسیتون بوسیله شعاع بوهر توصیف میگردد:
(1-4) a_B=(ħ^2 ε)/e^2 [1/m_e +1/m_h ]
کهε ثابت دی الکتریک است و m_e و m_h جرمهای مؤثر الکترون و حفره نیمرسانای حجیم هستند. این شعاع برای نیمرساناهای گوناگون متفاوت است. در جدول زیر برخی از
خصوصیات چند نیمرسانای مهم از جمله شعاع بوهر اکسیتون آنها نشان داده شده است. رفتار نیمرساناها بوسیله شعاع بوهر اکسیتون توجیه میگردد.
جدول1-1) معرفی برخی خصوصیات از چند نیمرسانای مهم[25].
نیمرساناها
E_g (bulk)m_em_hشعاع اکسیتون
a_B (nm)شعاع حفره
a_h (nm)شعاع الکترون
a_e (nm)InP1.240.0730.49.68.21.36.9GaAs1.520.070.6810.99.10.98.2CdS2.580.190.85.72.00.41.6ZnS3.840.0400.615.21.10.40.7
موقعیت الکترون و حفره در اکسیتون بوسیله a_B توصیف میشود. به دلیل اینکه جرم مؤثر الکترون و حفره از جرم الکترون کوچکتر و ثابت دی الکتریک نیمرساناها چند برابر 1(ثابت دی الکتریک خلأ) است، شعاع بوهر اکسیتون بزرگتر از شعاع بوهر اتم هیدروژن و انرژی ریدبرگ اکسیتون R_y^* ,〖(R〗_y^*=e^2/(2εa_B )) کوچکتر از انرژی ریدبرگ هیدروژن است. مقادیر a_B برای نیمرساناها معمولی بین 1 تا 10 نانومتر است[26]. و انرژی ریدبرگ اکسیتون مقدار تقریبی از 1 تا 100 الکترون ولت را دارا میباشد[27]. به دلیل استتار حفره بوسیله الکترونها در جامد تودهای، انرژی پیوند اکسیتون عموماً بسیار کوچک است. بنابراین حالتهای اکسیتونی فقط در دماهای بسیار پائین قابل مشاهده هستند( انرژی لازم برای واپاشی اکسیتون به حاملهای آزاد، در دماهای معمولی بوسیله انرژی گرمایی محیط قابل تأمین است). در مولکولها، جفت الکترون و حفره جایگزیده هستند و به دلیل اثر استتار بسیار کم، برهم کنش قوی کولمبی بین آنها وجود دارد. نانوذرات بین این دو حالت قرار دارند[27].
هنگامی که ابعاد ذره کاهش مییابد، شعاع ذره با اندازه اکسیتون قابل مقایسه و یا حتی بزرگتر میشود. این بدان معنا است که در نیمرساناهایی که اندازهشان با شعاع بوهر اکسیتون قابل مقایسه است، برهم نهی بزرگتری بین توابع موج الکترون و حفره رخ میدهد و الکترون و حفرۀ آزاد نمیتوانند وجود داشته باشند زیرا ابعاد نانوذره با فاصلهای که در آن الکترون و
حفره با یکدیگر بر همکنش دارند(شعاع بوهر اکسیتون) قابل مقایسهاست. همین نکته منشأ تفاوت خواص نوری نیمرساناهای حجیم و نانو اندازه است. در نانوذرات به دلیل تعداد کم الکترونها (در مقایسه با حالت حجیم) اثر استتار نیز کمتر است. نکته بسیار مهمی که در این زمینه قابل توجه میباشد این است که با کاهش اندازه بلور، بین جذب اکسیتونی و برانگیختگی الکترون به نوار هدایت تمایزی وجود ندارد. به گونهای که حالتهای اکسیتونی و حالتهای اشغال نشده هر دو در یک محدوده متمرکز میشوند[28].
1-12)نیمرسانا با گاف انرژی مستقیم و غیر مستقیم
نیمرساناها به دو گروه اصلی از نقطه نظر گاف انرژی تقسیم میشوند: نیمرساناهای گاف انرژی مستقیم یا غیر مستقیم. وقتی که کمینه نوار هدایت در همان نقطه ایی در فضایk ظاهر میشود که بیشینه نوار ظرفیت ظاهر میشود، نیمرسانا یک نیمرسانای گاف مستقیم نامیده می شود برای مثالGaAs,CdS,InSb و تعداد بسیاری دیگر از مواد با ترکیباتV-III و VI-II را می توان نام برد از طرف دیگر وقتی که کمینه باند انرژی هدایت در محل دیگری غیر از بیشینه باند ظرفیت در فضایk باشد، یک نیمرسانای گاف غیر مستقیم خواهیم داشت[29] مهمترین مثال از این مواد نیم رساناهای تک اتمی Si و Ge هستند.
در شکل(1-4 ) گاف انرژی مستقیم و غیر مستقیم نشان داده شده است.
شکل1-3) گاف نواری نیمرسانای گاف مستقیم مثل گالیم آرسنید(a)گاف غیر مستقیم مثل سیلیکون (b)[30]
جذب و تابش فوتون ها باید همراه با بقای اندازه حرکت و انرژی باشد برای گذار مستقیم، قوانین بقاء به صورت زیر داده می شوند.
ε_i+ħω=ε_(f ) (1-5)
ħk_i+ħq=ħk_f
که در آنها به ترتیب 〖 ε〗_iو fɛ انرژیهای اولیه و نهایی الکترون، ki و kf بردار موجهای اولیه و نهایی الکترون بوده و ħω وq انرژی و بردار موج فوتون است. چونq در مقایسه با عدد موجی الکترون در منطقه بریلوئن کوچک است، اغلب اندازه حرکت فوتون ħq در مقایسه با اندازه حرکت الکترون kiħ نادیده گرفته میشود. در این صورت قوانین بقاء به صورت زیر درخواهد آمد:
ħω=ε_f-ε_i≥E_g (1-6)
kf ≅ ki
در فرایند جذب فوتون، حالت اولیه الکترون در باند ظرفیت و حالت نهایی آن در باند هدایت است. اگر انرژی صفر الکترون را در بالای باند ظرفیت انتخاب کنیم، انرژیهای باند هدایت و باند ظرفیت را برای باندهای سهمیوار میتوان به صورت زیر نوشت [29].
E_c (k)=E_g+(ħ^2 k^2)/(2m_e^* ) (1-7)
E_v (k)=(〖-ħ〗^2 k^2)/(2m_h^* )
که در آنها *me = me جرم موثر الکترون، *mh = mh جرم موثر حفره است و به علت بقای اندازه حرکت ke=kh=k خواهد بود.
بقای انرژی برای این گذار مستقیم برابر است با:
ħω=ε_c-ε_v=E_g+(ħ^2 k^2)/(2m_r ) (1-8)
که در آنmr جرم کاهش یافته الکترون-حفره است و به صورت زیر تعریف می شود:
1/m_r =1/m_e +1/m_h (1-9)
اما برای گذار گاف غیر مستقیم، به یک فوتون القایی برای کامل کردن گذار نیاز داریم. قوانین بقاء برای گذار غیر مستقیم به صورت زیر نوشته می شود:
(1-10)f = ɛi + ħω ±Ωħɛ
 kf = ki ± K
که در آنωħ وK انرژی فوتون وبردار موج آن هستند. فوتون اضافی، اندازه حرکت مورد نیاز Kħ را برای اینکه گذار بین نقاط بیشینه و کمینه باند انرژی صورت گیرد،فراهم می آورد.
Eg ind گاف انرژی غیر مستقیم است که به صورت f – ɛiɛ برقرار است [29].
1-13) شعاع نانو ذرات
با توجه به مطالبی که گفته شد اکنون میتوان به یکی از اولین سؤالاتی که به هنگام مطالعه نانوذرات به ذهن خطور میکند پاسخ داد، به ذرات از چه اندازهای کوچکتر نانوذره میگویند؟
همانگونه که در بخش بالا اشاره شد، تفاوت برخی از خواص نانوذرات و مواد حجیم نیمرسانا از وضعیت الکترون و حفره و اندرکنش آنها ناشی میشود. شعاع بوهر اکسیتون شعاعی است که هر گاه اندازه ذره با آن قابل مقایسه باشد حاملهای بار در حبس کوانتومی قرار گرفته و با یکدیگر اندرکنش حتمی مینمایند. به این دلیل منطقی است که شعاع بوهر اکسیتون حالت حجیم به عنوان معیار ورود به فاز نانو قلمداد شود. بنابراین میتوان گفت: هرگاه ابعاد ذره نیم رسانایی با شعاع بوهر اکسیتون حالت حجیم همان نیمرسانا قابل مقایسه شود به آن نانوذره گوئیم و آن ذره خواص تابع اندازه از خود بروز میدهد[31].
1-14)ذره در جعبه کوانتومی
افزایش گاف انرژی با کاهش اندازه نانوذرات، به عنوان اثر اندازه کوانتومی شناخته میشود. مطالعه خواص نوری نانوذرات CdS، بروز اثر اندازه کوانتومی را در آنها نشان داده است.
[33-32].یکی از دلایل توجه فراوان به نانوذرات CdS به خاطر نمایش خوب اثر اندازه کوانتومی در زیر شعاع بوهر اکسیتون در آنها است. اثر اندازه کوانتومی برای نانوذرات CdS وقتی که اندازهشان به 5 نانومتر برسد ظهور میکند[35-34].
میتوان اثر اندازه کوانتومی را بوسیله در نظر گرفتن مسئله ذره در جعبه، به طور کیفی توجیه نمود. برخی از پژوهشگران به این وسیله و با صرفنظر کردن از بر همکنش الکترون و حفره در نانوذرات، درک اثر اندازه کوانتومی و تغییر وضعیت ترازهای انرژی در گذار از فاز حجیم به نانو را آسان کردهاند. آنها با این ساده سازی که یک نانوذره به صورت یک چاه کوانتومی بینهایت یک بعدی به پهنای d است، حاملهای بار در آن را به صورت آزاد در نظر گرفتهاند[36].
هنگامی که الکترون و حفره در بلور حجیم به صورت آزاد در نظر گرفته شوند (تقریب جرم مؤثر) نمودار انرژی آنها به صورت سهموی است. با حبس شدن حاملها در یک جعبه کوانتومی، ترازهای پیوسته انرژی دچار گسستگی میشوند. این وضعیت در شکل(1-5) نشان داده شده است. از طرفی طیف جذب نوری یک نیمرسانا (که از آن طول موج معادل گاف نواری به دست میآید) با طیف ذره منفرد متناظر نمیباشد چرا که جذب نوری معادل تولید یک زوج الکترون- حفره در بلور و نه یک تک الکترون یا حفره منفرد است. از این رو، مسئله زمانی کامل است که معادله شرودینگر برای یک زوج الکترون- حفره حل شود. با انتخاب مبدأ مناسب و حل معادله شرودینگر، رابطۀ زیر برای انرژی گاف نواری نانوذرات به دست
میآید:
E_g^nanoparticle (d)=E_g^bulk+(π^2 ħ^2)/(2m_e ) (n_e/L)^2+(π^2 ħ^2)/(2m_h ) (n_h/L)^2 (1-11)

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید