سنتز و مطالعه خواص فیزیکی نانو ساختارهای اکسید نیکل برای کاربردهای …

۲-۲ انواع حسگرهای گازی  ……………………………………………………………………………………………………….  ۲۷

 

۲-۳ حسگرهای گازی نیم‏رسانا اکسید-فی  ………………………………………………………………………….  ۲۹

 

۲-۴ خواص حسگرهای گازی  ……………………………………………………………………………………………………  ۳۰

 

۲-۴-۱ حساسیت  ………………………………………………………………………………………………………………………  ۳۰

 

۲-۴-۲ گزینش  ………………………………………………………………………………………………………………………….  ۳۴

 

۲-۴-۳ زمان پاسخ / زمان بازگشت  …………………………………………………………………………………………  ۳۴

 

۲-۵ مروری بر مقاله‏های موجود دربارۀ حسگرهای گازی بر پایۀ نانوساختارهای اکسید نیکل  .  ۳۴

 

فصل سوم- مراحل آزمایشگاهی رشد نانوساختارهای اکسید نیکل به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن و اسپری پایرولیزیز و آماده‏سازی لایۀ حسگر گازی

 

۳-۱ مقدمه  ……………………………………………………………………………………  ۵۹

 

۳-۲ انواع روش‏های رشد نانوساختارهای اکسید نیکل  ……………………………………………………………  ۵۹

 

۳-۳ تهیۀ نانوساختارها به روش اسپری پایرولیزیز  ……………………………………………………………………  ۶۰

 

۳-۳-۱ جزئیات دستگاه اسپری پایرولیزیز  ………………………………………………………………………………  ۶۰

 

۳-۳-۲ آماده‏سازی زیرلایه  ……………………………………………………………………………………  ۶۱

 

۳-۳-۳ تهیۀ محلول  ………………………………………………………………………………………………  ۶۲

 

۳-۳-۴ پارامترهای لایه‏نشانی  ………………………………………………………………………………….  ۶۳

 

۳-۴ تهیۀ لایه‏های نازک نانوساختار به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن  ………………….  ۶۴

 

۳-۴-۱ کورۀ الکتریکی تیوبی  …………………………………………………………………………………………………….  ۶۴

 

۳-۴-۱-۱ متعلقات کوره  ……………………………………………………………………………………………………………  ۶۵

 

۳-۴-۱-۲ سیستم خلأ به کار رفته …………………………………………………………………………………………….  ۶۵

 

۳-۴-۲ مراحل سنتز نانوساختارهای اکسید نیکل  …………………………………………………………………….  ۶۶

 

۳-۴-۲-۱ تهیۀ قرص‏های نیکل  ………………………………………………………………………………………………  ۶۷

 

۳-۴-۲-۲ عملیات حرارتی قرص‏ها  ……………………………………………………………………………………………  ۶۸

 

۳-۵ حسگر گازی  ……………………………………………………………………………………………….  ۶۹

 

۳-۵-۱ جزئیات دستگاه حسگر گازی  ……………………………………………………………………………………….  ۷۰

 

۳-۵-۲ آماده سازی لایه حسگر  …………………………………………………………………………………………………  ۷۲

 

۳-۵-۲-۱ الکترود گذاری  ………………………………………………………………………………………………………….  ۷۲

 

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

 

۴-۱ مقدمه  ……………………………………………………………………………………  ۷۵

 

۴-۲ بررسی خواص فیزیکی لایه‏های نانوساختار اکسید نیکل تهیه شده به روش عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن  .  ۷۵

 

۴-۲-۱ معرفی نمونه‏های سنتز شده  ……………………………………………………………  ۷۶

 

۴-۲-۲ بررسی اثر فاصلۀ قرص‏ها از مرکز ناحیۀ بسیار گرم کوره بر مورفولوژی نمونه‏ها  …………  ۷۸

 

۴-۲-۳ بررسی اثر دما بر مورفولوژی نمونه‏ها  ……………………………………………………………………………  ۷۹

 

۴-۲-۴ آنالیز عنصری نمونه‏ها………………………………………………………………………………………………………  ۸۰

 

۴-۳ بررسی خواص فیزیکی لایه‏های نانوساختار اکسید نیکل تهیه شده به روش اسپری پایرولیزیز…………………………………………………………………………………………………………  ۸۰

 

۴-۳-۱ مطالعۀ مورفولوژی سطح لایه‏ها  ……………………………………………………………………………………  ۸۱

 

۴-۳-۲ مطالعۀ خواص ساختاری لایه‏ها   …………………………………………………………………………………  ۸۱

 

۴-۴ نتایج حاصل از حسگر لایه‏های نازک NiO سنتز شده به روش اسپری پایرولیزیز  ………….  ۸۲

 

۴-۴-۱ زمان پاسخ و بازیابی حسگر لایه‏های نازک NiO سنتز شده به روش اسپری پایرولیزیز  ۸۷

 

۴-۵ بحث و نتیجه‏گیری  …………………………………………………………………………………………. ۸۸

 

۴-۵-۱ عملیات حرارتی در اتمسفر اکسیژن  ……………………………………………………………………………  ۸۹

 

۴-۵-۲ اسپری پایرولیزیز  …………………………………………………………………………………………………………  ۸۹

 

۴-۵-۳ حسگر گازی  ………………………………………………………………………………………………………………….  ۸۹

 

منابع  ……………………………………………………………………………………………………….  ۹۰

 

۱ مقدمه

 

اکسیدهای نیکل ممکن است به صورت‏های گوناگون مانند NiO، NiO₂، NiO₄ و Ni₂O₃ وجود داشته ‏باشند ]۱[. 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 ]۱[. NiO یکی از معروف‏ترین مواد الکتروکرومیک[۱] بعد از اکسید تنگستن است. به عنوان یک ماده الکتروکرومیک، به سبب بازده الکتروکرومیک ( ) بالا،

 

برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت azarim.ir مراجعه نمایید.

 

 

 

 

(۱-۱)

برگشت‏پذیری دوره‏ای، پایداری و رنگ‏آمیزی خاکستری که در تکنولوژی پنجره‏های هوشمند مفید است مزایای ویژه‏ای دارد ]۲[. NiO یک مادۀ الکتروکرومیک آندی است که می‏تواند در ترکیب با یک مادۀ الکتروکرومیک کاتدی مانند اکسید تنگستن (WO₃) استفاده ‏شود ]۳[.

 

اکسید نیکل بدون آلایش دارای انرژی گاف نواری مستقیم و پهن در گسترۀ eV 0/4-6/3 و چگالی g/cm³ ۶۷/۶ است. هنگامی که در حضور هوا گرم می‏شود به خاطر تولید تهی‏جاهای Ni²⁺ در ساختار NiO، نیم‏رسانندگی نوعp- نشان می‏دهد ]۱[. 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)[۲] 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 ۱۰^۱۳ 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 ]۴[.

 

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 ]۵[.

 

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 ۴۰۰ گرم می‏شود می‏تواند اکسیژن را جذب کند و به Ni₂O₃ تبدیل شود. هنگامی که تا C ۶۰۰ گرم می‏شود دوباره به NiO تبدیل می‏شود

 

۱-۲ 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 ]۶[. این ساختار در شکل ۱-۱ نشان داده شده است.

 

شکل ۱-۱: ساختار هگزاگونال

 

ساختار بلورین دیگر، یک ساختار مکعبی مانند ساختار کلرید سدیم (NaCl) با پارامتر شبکه       ۱۹۵/۴=a می‏باشد ]۷[ که در شکل ۱-۲ نشان داده شده است.

 

شکل ۱-۲: ساختار مکعبی

 

۱-۳ 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 ]۸[. 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.

 

۱-۳-۱ مواد الکتروکرومیک

 

موادی که قادر هستند خواص اپتیکی خود را به عنوان یک پاسخ به محرک خارجی تغییر دهند به عنوان کروموژنیک[۳] شناخته می‏شوند. این تغییر در خواص اپتیکی می‏تواند از طریق پرتودهی با نور (مواد فوتوکرومیک[۴])، تغییر در دما (مواد ترموکرومیک[۵]) و به کار بردن یک ولتاژ الکتریکی (مواد الکتروکرومیک[۶]) اتفاق بیفتد ]۹[ .

 

اثر الکتروکرومیک برای نخستین بار در سال ۱۹۶۰ در فیلم‏های نازک اکسیدهای فات 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[۷] یک ماده می‏تواند تحت تأثیر میدان یا جریان الکتریکی اعمال شده تغییر رنگ پایا و برگشت‏پذیر نشان دهد ]۱۰[. از میان مواد الکتروکرومیک آلی و غیر آلی بسیار، اکسیدهای فات واسطه بیشتر مطالعه شده‏اند زیرا آن‏ها تغییر قابل توجهی در استوکیومتری نشان می‏دهند ]۱۱[.

 

۱-۳-۲ انواع مواد الکتروکرومیک

 

مواد الکتروکرومیک دو نوع هستند: ۱- مواد الکتروکرومیک کاتدی که به محض کسب یون یا الکترون تغییر رنگ می‏دهند. ۲- 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 مع شدن فرایندها این مواد، شفاف       می‏شوند ]۱۲[.