رشد و بررسی ویژگی های نانوساختاری مواد دی الکتریک فلزی

هدف کلی این پژوهش، تولید و بررسی خواص نانو ساختاری کامپوزیت های tio2-sio2، نانو میله های خالص و نانومیله های tio2با آلایش sio2 و tio2-cuo-sio2 با استفاده از تکنیک های xrd، xrf، afm، sem، tem، ftir و طیف سنجی در ناحیه فرابنفش(uv-vis) می باشد. در ابتدا به بررسی کامپوزیت tio2-sio2 پرداختیم. با استفاده از تکنیک xrf محتوای sio2 را در ترکیب ها معین نمودیم. با استفاده از تکنیک xrd که توسط نرم افزار xpowder 2011 و مقایسه با بانک داده های iucr انجام می پذیرد، فازهای بلوری، اندازه نانوبلورک ها، کرنش موجود در شکل گیری نانوبلورک ها با تاثیر کلسینه شدگی بررسی گردید. کامپوزیت ها در شش درصد وزنی از محتوای sio2 و در چهار حالت کلسینه شدگی در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجه سانتیگراد تولید و مطالعه شدند. با استفاده از روابط تجربی بر مبنای تحلیل xrd، درصد فاز بلوری روتایل و آناتاز در کامپوزیت ها معین گردید. در نمونه هایی با محتوای مشخص tio2، درصد فاز روتایل با افزایش دمای کلسینه، افزایش می یابد ولی با رسیدن محتوای tio2 در کامپوزیت به %1/44 (بعد از نمونه شماره 400)، ملاحظه می شود که درصد محتوای فاز روتایل با افزایش دمای کلسینه، کاهش می یابد. بین اندازه بلورک ها و درصد محتوای tio2 در کامپوزیت، رابطه مشخصی وجود ندارد. می توان با استفاده از رابطه تجربی ویلیامسون- هال کرنش شبکه را به دست آورد. برای نمونه هایی با محتوای مشخص tio2 در کامپوزیت tio2-sio2، کرنش شبکه با افزایش دمای کلسینه کاهش می یابد. در نمونه هایی با درصد tio2 بیش از % 55 در کامپوزیت ( نمونه های 100، 200 و 300)، رفتار کرنش شبکه بر حسب دمای کلسینه، مشابه رفتار درصد محتوای روتایل بر حسب دمای کلسینه است. اما برای نمونه هایی با درصد محتوای tio2 کم تر از % 45 در کامپوزیت، کرنش شبکه بر حسب دمای کلسینه رفتاری معکوس با رابطه درصد محتوای فاز بلوری روتایل بر حسب دمای کلسینه دارد. در تصاویر fe-sem تشکیل نانوذرات کروی ، در شرایطی که دمای کلسینه و محتوای tio2 در کامپوزیت زیاد باشد، مشهود است ولی با کاهش محتوای tio2 در کامپوزیت، نانوذرات به شکل دندانه اره ای و تا حدودی صفحه ای تشکیل می شوند. علاوه بر آن، اندازه ذرات با افزایش دمای کلسینه و افزایش محتوای tio2 در کامپوزیت، افزایش می یابد. مطابق تصویر tem، میانگین قطر نانوذرات که با نرم افزار measurement اندازه گیری شده است، در محدوده nm 25 می باشد. مطالعه ftir، حضور پیوندهای شیمیایی si-o-si، o-si-o و ti-o-si را نشان می دهند. دراین کامپوزیت تاثیر sio2 در ماتریس tio2، بر روی تخریب فتوکاتالیستی رنگ متیلن بلو بررسی شد و معین گردید که با حضور محتوای وزنی sio2 در کامپوزیت از مقدار%25/29 به %06/45 کارایی اثر فتوکاتالیستی افزایش می یابد و این در حالی است که با افزایش بیش تر از %06/45 تا %24/68 کارایی اثر فتوکاتالیستی کاهش می یابد. در ادامه به تولید، بررسی و مقایسه ساختاری نانومیله های خالص و آلاییده tio2 پرداختیم و اثر کلسینه شدگی را بر روی ساختار بلوری، کرنش شبکه، مورفولوژی سطح، ظرفیت خازنی و ضریب دی الکتریک بررسی نمودیم. در حالت نانومیله های خالص، فاز بلوری روتایل از شدت کم تری نسبت به فاز بلوری آناتاز برخوردار است و در نتیجه محتوای کم تری نیز در ترکیب دارد. فاز روتایل تنها در حالت دمای کلسینه oc900 وجود دارد. در حالت آلاییده به دلیل وجود sio2، قله های پراش پهن شدگی بیش تری تا دمای کلسینه oc300 دارند. اندازه بلورک ها با افزایش دما، افزایش می یابد. البته در حالت دمای کلسینه oc300 یک افزایش شدید در اندازه بلورک ها وجود دارد. در حالت آلاییده، بلورک ها اندازه کوچک تری نسبت به بلورک های حالت خالص دارند. دلیل آن اثر بازدارندگی اتم های مهمان در رشد بلورک های میزبان می باشد یا می تواند به دلیل تشکیل پیوندهای کوتاه چگال تر بین اتم های نمونه و اتم های ناخالصی مربوط گردد. با افزایش دمای کلسینه، کرنش شبکه کاهش می یابد و حتی به کرنش منفی می رسد. باز هم به دلیل پاره شدن برخی از پیوندهای اشاره شده و آزادی نسبی اتم ها می باشد که شبکه به سمت یک شبکه ای با اتم های کم تر جایگزیده، پیش می رود. در مقایسه با حالت نانومیله های خالص، کرنش شبکه در حالت آلاییده بیش تر از حالت خالص است. مطابق تصاویر fe-sem در هر دو حالت خالص و آلاییده، در نمونه های بدون کلسینه شدگی، ذراتی کروی شکل که میله های فراوانی را در خود دارند، دیده می شوند. به نظر می رسد نانومیله ها از ذرات نازک ریسمانی شکل تشکیل می شوند. با افزایش دمای کلسینه، میله ها از هم دورتر شده و طول آن ها افزایش می یابد. در نانومیله های آلاییده، در کنار تشکیل نانومیله ها، ذرات کروی هم دیده می شوند که در دمای کلسینه oc300 این امر مشهود است. مطابق تصویر tem و با استفاده از نرم افزار measurement میانگین قطر نانوذرات در حالت خالص در حدود nm 43 و میانگین طول نانومیله ها در حدود nm 400 است. مطابق تصاویر tem، نانومیله های خالص tio2 یک دست و نازک تر از نانومیله های آلاییده شده می باشد. میانگین قطر نانو میله های آلاییده در حدود nm 62 و میانگین طول آن ها در حدود nm 490 می باشد. در ضمن در حالت آلاییده، نانومیله ها قطورتر و بلندتر می باشند که مربوط به حضور ذرات sio2 در ترکیب است. مطابق تصاویر afm، جزیره های تجمعی به شکل گُل با طولی بین 2 تا mµ 5/3 وجود دارند. رشد این جزیره ها در الگوی دندانه دار یا نامنظم تا زمانی که پهنای آن به mµ 6 برسد ادامه می یابد. این جزیره ها در الگوی دندانه دار یا نامنظم تا زمانی که پهنای آن به mµ 6 برسد ادامه می یابد. مورفولوژی سطح با پارامترهای زبری سطح سنجیده می شود. میانگین زبری و مجذور متوسط ریشه زبری در حالت آلاییده، افزایش می یابد. مطالعه ftir، حضور پیوندهای شیمیایی si-o-si، ti-o و ti-o-si را نشان می دهند. با افزایش دمای کلسینه در نمونه ها، مقاومت الکتریکی به دلیل تقویت شکل گیری ساختار بلوری کاهش می یابد. در حالت آلاییده، مقاومت الکتریکی نسبت به حالت خالص افزایش می یابد. ظرفیت الکتریکی و ضریب دی الکتریک نمونه ها با افزایش دمای کلسینه، افزایش می یابند. ظرفیت الکتریکی و ضریب دی الکتریک نمونه ها در حالت آلاییده نسبت به حالت خالص بیش تر است، همان طور که بارها اشاره شد، تاثیر ناخالصی sio2 بر شکل گیری پیوندها به گونه ای است که ساختار بی شکل نمونه ها افزایش می یابد و طبیعی است که این ساختار کم تر اجازه تونل زنی الکترون ها و نشت اتم ها از درون گیت دی الکتریک tio2 را می دهد. در پایان به تولید و بررسی نانوساختاری کامپوزیت tio2-cuo-sio2 پرداختیم و اثر نسبت مولی پیش ماده ها و دمای کلسینه را بر روی ساختار کریستالی، کرنش شبکه، انرژی فعال سازی تشکیل فازهای بلوری و پیوندهای شیمیایی بررسی نمودیم. مطابق تحلیل طیف های xrd، فاز تنوریت در کنار sio2 با افزایش پایداری گرمایی در کامپوزیت، در حذف فاز روتایل بسیار موثر است. کرنش شبکه در حالت 5/0mr = با افزایش دمای کلسینه تا oc300 از 785/0- به 317/0- کاهش می یابد و با افزایش بیش تر دمای کلسینه از oc300 به oc800، کرنش شبکه از 188/0 به 244/0 افزایش می یابد. با افزایش محتوای اکسید مس، با افزایش دمای کلسینه، کرنش شبکه از 646/0 به 117/0 کاهش می یابد. اندازه بلورک های مربوط به فاز بلوری آناتاز و تنوریت با افزایش دمای کلسینه افزایش می یابند. می توان از طریق رابطه تجربی اسکات با در نظر گرفتن رشد همگن بلورک ها، انرژی فعال سازی تشکیل فازهای بلوری را به دست آورد. مطابق تحلیل انجام شده، با افزایش نسبت مولی نیترات مس (پیش ماده cuo)، انرژی فعال سازی کوچک می شود. تصاویر sem نشان می دهند که نمونه های پودری با نسبت مولی 5/0 دارای سطح هموار با ذراتی نسبتاً ریز و یک دست می باشند. در حالت نسبت مولی 1، سطح شامل فیبرهای درهم تنیده با جهت گیری دلخواه می باشد و در این حالت نانوذرات دارای تراکم و نزدیکی بیش تری نسبت به حالت ترکیب با نسبت مولی 5/0 می باشند. از تصاویر sem مشخص است که با افزایش دمای کلسینه، اندازه ذرات افزایش می یابد. در هر دو حالت ترکیب با نسبت مولی 5/0 و 1، با افزایش دمای کلسینه، تمایل ذرات به تشکیل ذرات دانه ای شکل و مجزا مشهود است. تحلیل edx وجود درصد اکسیدی را در نمونه ها معین می نماید و مشخص می کند که در ناحیه میله ای، محتوای cuo در ترکیب بیش از ناحیه توده ای است و این نتایج در مورد نمونه پوششی هم صادق است. به عبارت دیگر حضور فلز مس باعث تشکیل میله هایی از نمونه می گردد که می توانند نقش کانال یا الکترودها را در نانوترانزیستورهای اثر میدانی ایفا کنند. تحلیل ftir، حضور پیوندهای شیمیایی si-o-si، ti-o، ti-o-si و cu-o را نشان می دهند. با وجه به مطالعه ساختاری بر روی کامپوزیت های موجود در پژوهش، موارد زیر جهت تکمیل و ادامه پژوهش پیشنهاد می گردد. 1- تهیه تصاویر tem جهت تکمیل مطالعه بر روی کنترل اندازه و شکل نانوذرات به منظور تولید بهینه و هدفمند ذرات. 2- با توجه به ثابت دی الکتریک بالای دی اکسید تیتانیم، می توان از آن به عنوان گیت دی الکتریک در ترانزیستورها استفاده نمود. بنابراین استفاده از تکنیک های پیشرفته و به کاربردن این اکسیدها در نمونه های پوشش دهی در ابزار متناسب با ضریب دی الکتریک بالا، در خور توجه است. 3- تعیین کارایی فتوکاتالیستی کامپوزیت ها تحت شرایط مختلف بازی- اسیدی، شدت تابش، غلظت رنگ (آلاینده)، غلظت فتوکاتالیست و در نهایت تعیین ایزوترم (مدل تخریبی) تخریب فتوکاتالیستی ، به منظور تشکیل یک مدل با کارایی بهینه، بسیار مناسب است. 4- تعیین گاف نواری الکتریکی و نوری در این کامپوزیت ها، امکانی برای شناسایی بیش تر ویژگی های ساختاری این مواد ترکیبی فراهم می آورد و محدوده شناخت از این ترکیبات را افزایش می دهد. 5- پژوهشگران در ساخت نانوترانزیستورهای اثر میدانی، به دنبال استفاده از موادی هستند که خودشان بتوانند طی یک فرآیند خودسامان ده، گیت دی الکتریک و کانال را به طور مهندسی شده بسازند. با تعیین جریان نشتی، ضریب کیفیت و ضریب اتلاف کامپوزیت های تهیه شده و به کار بردن آن ها به عنوان گیت اکسیدها در ترانزیستورهای اثر میدانی، می توان جایگزین های بهینه ای را به منظور کاهش ضخامت، ابعاد در ترانزیستورها و در نهایت افزایش توان ذخیره سازی در حافظه های دیجیتال معرفی نمود.