دانلود پروژه كاربرد نانوفناوری در صنایع الكترونیك — قسمت سوم

دانلود پایان نامه

  • روشهای تولید نانوذرّات

در سالهای اخیر تحقیقات گسترده­ای درباره روشهای مختلف تولید نانو­بلورها گزارش شده است. سهم زیادی از این تحقیقات به تکنیکهائی که همزمان، کنترل اندازه و داشتن توزیع اندازه باریک ذرّات را مد نظر دارد اختصاص داشته است[55-53].

به طور کلی می­توان روشهای تولید نانوذرّات را به دو دسته روشهای فاز گازی و فاز جامد تقسیم­بندی کرد[35]. در روشهای فاز گازی، ذرّات در حالت گازی تولید و مورد مطالعه قرار می­گیرند. این روشها برای تولید تعداد کمی از انواع نانوذرّات به کار می­رود. روشهای فاز جامد بر اساس فرایندهای دخیل در تولید ذرّات به دو دسته روشهای فیزیکی و شیمیائی تقسیم بندی می­گردد. در شکل1-8 تابلو روشهای گوناگون تولید نانوذرّات رسم شده است[35]. در ادامه، ضمن معرفی دسته­بندی روشهای تولید، چند روش شیمیائی نیز به اختصار معرفی می­شود. آزمایشها نشان می­دهند که خواصی مانند خواص ساختاری، نوری و… به روشی که ذرّات بوسیله آن تولید می­گردند وابسته­اند. گاهی نانوذرّات بوسیله فرآیندهای زیستی همانند فعالیت ویروسها هم ایجاد می­شوند[66].

نکته مهم : برای استفاده از متن کامل تحقیق یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه دانلود کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و تحقیق دانشگاهی در رشته های مختلف است که می توانید آن ها را به رایگان دانلود کنید

1-13   روشهای فیزیکی

روشهای فیزیکی که در آن نانوذرّات با انجام فرایندهای فیزیکی تولید می­شوند، معمولاً روشهای گرانی هستند و به بهره­گیری از متخصصین باتجربه و تجهیزات بسیار دقیق نیاز دارند. از میان انبوهی از روشهای فیزیکی، مهمترین آنها عبارتند از لایه نشانی لیزری، اپیتاکسی پرتو مولکولی، تبخیر در گاز بی‌اثر، آسیاب مکانیکی و روش‌های پلاسمایی[17]. برای مثال در روش آسیاب مکانیکی که بر تغییر شکل مکانیکی مواد مبتنی است، ساختارهای زبر و خشن به وسیلة آسیاب گلوله‌ای پر‌انرژی یا فرایند تنشی قوی به پودرهای بسیار ریز تبدیل می‌شوند. در تولید انبوه و تجاری می­توان از این روش استفاده نمود. در این روش، جلوگیری از آلوده شدن محصول به گلوله‌ها که اغلب از جنس آهن هستند، یک چالش به حساب می­آید. به ‌علاوه، کاهش ابعاد ذرّات تا زیر میکرومتر نیازمند سپری شدن زمانی طولانی است[67].

1-14   روشهای شیمیائی

از میان روشهائی که برای تولید نانوذرّات گزارش شده، روشهای شیمیائی به دلیل بی­نیازی به تجهیزات بسیار گران قیمت، امکان تولید انبوه، دقیق و قابل کنترل بودن، و امکان آلائیدن آسان با عناصر دلخواه، بیشتر مورد توجّه قرار گرفته­اند. در عین حال این روشها محدودیتهایی نیز دارند. آلودگی ناشی از مواد شیمیایی و واکنشهای جانبی حین تولید که به تولید محصولات نامطلوب می­انجامد از جمله این محدودیتها می­باشد. نانوذرّات با روشهای شیمیائی می­توانند در حالت کلوئیدی، در دام مایسل، زئولیت، شیشه و یا به روش سول ژل تولید شوند. مهمترین روشهای شیمیائی در شکل1-8 نشان داده شده­انذ.

1-15   برخی از روشهای شیمیائی تولید نانوذرّات CdS

نیم­رسانای CdS توده­ای به عنوان یک حسگر نوری طیف مرئی به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین این ماده به عنوان یک ماده مناسب برای لایه­ حائل[1] در سلولهای خورشیدی لایه نازک به کار رفته است[69-68]. نانوذرّات CdS به دلیل امکان مطالعه خواص تابع اندازه در آنها، مورد توجّه بسیار قرار گرفته ­است. این نانوذرّات با تغییر اندازه­شان، تغییر رنگ از خود نشان می­دهند. این پدیده معیاری است که از آن برای تخمین حدود اندازه ذرّات نیز می­توان استفاده نمود. از میان روشهای تولید نانوذرّات این نیم­رسانای مهم، روش شیمیائی مرطوب مناسبتر بوده­اند[43،37]

برای فراهم آوردن امکان مقایسه بین روشهای شیمیائی تولید نانوذرّات CdS، در این قسمت تعدادی از روشهای شیمیائی تولید آنها معرفی می­شود. اوّلین روشی که معرفی می­گردد روش مایسل معکوس است. سپس روش شیمیائی مهار کردن یا کلوئیدی که در این پایان­نامه از آن برای تولید نانوذرّات CdS و CdS:Ni استفاده شده معرفی می­شود. روش فوتوشیمیائی که در آن علاوه بر عامل مهارکننده از نور فرابنفش نیز برای کنترل اندازه ذرّات استفاده می­شود دیگر روشی است که در ادامه معرفی می­گردد.

  • روش میکرو امولسیون( مایسل معکوس )

استفاده از مایسل(که میکرو امولسیون و مایسل معکوس هم نامیده می­شود) از نظر مفهومی به روش مهار کردن که در ادامه توصیف خواهد شد شبیه است. در این روش یک فضای فیزیکی کوچک(دام) بوسیله مایسل تعریف می­شود و نیم­رسانا، درون چنین منطقۀ کوچکی ته­نشین می­گردد. برخلاف روش کلوئیدی، مایسل به جای اینکه به عنوان عامل مهارکننده عمل نماید به عنوان یک مرز فیزیکی عمل می­کند[71-70]. از روش میکروامولسیون به طور گسترده در تولید نانوذرّات و از جمله نانوذرّات CdS استفاده شده است[72]. برای معرفی این روش ابتدا سورفکتانت و مایسل معرفی می­شوند.

         1-15-1-1  سورفکتانت[2]، مایسل معکوس[3] و نرمال[4]

سورفکتانتها دسته بسیار بزرگی از مواد را در شیمی تشکیل می­دهند. آشناترین این مواد، مایع ظرف ­شوئی است که باعث حل شدن ذرّات چربی در آب می­شود.

سورفکتانتها دو سر قطبیده و غیر قطبیده دارند. سر قطبیده آنها که به طور طبیعی برای پیوند با آب(که یک مادّه قطبیده است) تمایل دارد، سر آب دوست نامیده می­شود. سر دیگر که غیر قطبیده است، آب گریز نام دارد. در محیط آبی، سورفکتانتها، مایسل نرمال و در محیط غیر آبی مثل الکل، اصطلاحاً مایسل معکوس را تشکیل می­دهند(شکل1-9). همانگونه که از شکل نیز واضح است، قطرات ریز آب به کمک سر آب دوستِ سورفکتانتها، در مایسل معکوس حبس شده­اند[73].

سورفکتانتها باعث حل شدن آب در حلالهای آلی(محیط غیر آبی) و تشکیل مایسل معکوس پایدار می­شوند. قطرات کوچک آبِ درون مایسل معکوس، در تولید نانوذرّات به عنوان یک راکتور بسیار کوچک مورد استفاده قرار می­گیرد زیرا محیط آبی ایجاد شده درون حوضچۀ مایسل معکوس، واکنش پذیری را افزایش می­دهد. سیستم AOT/آب/الکل، مدلی ساده برای بررسی مایسلهای معکوس به شمار می­رود[74]. در این سیستم، آب بوسیله سورفکتانت AOT[5] به شدت احاطه شده است(شکل1-9 ج).

 

 

اندازه قطره آب درون مایسل معکوس با تنظیم نسبت غلظت آب به سورفکتانت () قابل تغییر است[74]. گزارشها نشان می­دهند که با افزایش w، اندازه قطرات آب به طور خطی افزایش می­یابد. دما هم در اندازه قطرات آب تأثیر دارد. با افزایش دما(البته تا دمای بحرانی 50 درجه که بعد از آن مایسلها دیگر پایدار نمی­باشند) اندازه قطرات هم افزایش می­یابد. می­توان با این روش، حوضچه­های آبی با قطر 2 تا 20 نانومتر را تولید نمود.

مایسل معکوس با اضافه کردن قطره قطره آب مقطر به مخلوط AOT- هپتان و سپس تکان دادن و قرار دادن آنها در حمام آلتراسونیک ایجاد می­گردد. انرژی لازم برای غلبه آب بر سد انرژی و توزیع آن به صورت قطرات نانواندازه، بوسیله تکان دادن و امواج فرا صوتِ حمام آلتراسونیک تأمین می­گردد و در نهایت یک سیستم شفاف به دست می­آید.

1-15-1-2  مرحلۀ تولید نانوذرّات CdS

برای تولید نانوذرّات  می­توان به جای آب مقطر از محلول آبی و  استفاده نمود. ابتدا محلول را به صورت آرام و قطره قطره در حضور تکان و در حمام آلتراسونیک به مخلوط AOT_هپتان اضافه می­کنند. در این مرحله، قطرات ریز آب مقطری که یونهای کادمیوم دو مثبتِ را در خود محلول دارند، حوضچه­های درون مایسل معکوس را شکل می­دهند. با اضافه کردن قطره قطره محلول، یونهای سولفید هم سرنوشت مشابه یونهای کادمیوم پیدا کرده و با ورود به حوضچه و ترکیب با یکدیگر، ذرّات زرد رنگ را تشکیل می­دهند. ذرّات کلوئیدی با اضافه کردن پیریدن، سانتریفیوژ نمودن و شستشو از محلول جدا می­شوند.

 

1-15-2    استفاده از نانولوله­های کربنی چند جداره

با استفاده از برخی فرایندهای شیمیائی، می­توان نانوذرّات CdS را در سطح نانولوله­های کربنی تولید نمود[75]. هدف از تولید نانوذرّات به این روش، افزایش قابلیتهای نانولوله­ها با بهره­گیری از خواص نوری نانوذرّات CdS گزارش شده است[76]. نمائی از مراحل مختلف این روش در شکل 1-11 نشان داده شده است.

شکل1-11)نمائی از  مراحل تشکیل نانوذرّات CdS در سطح نانولوله های کربنی.

ابتدا نانولوله­های کربنی(1) در محلول اسید سولفوریک-نیتریک، به کمک امواج آلتراسونیک و در دمای 50 درجه، پوشش داده می­شوند(2). در این مرحله(2) یک سوسپانسیون سیاه رنگ شفاف تشکیل می­گردد. این رنگ به خاطر مقدار زیاد گروههای کربوکسیل متصل شده به سطح نانولوله­ها می­باشد. با اضافه کردن مقدار معینی از KOH، محلول به PH حدود 8 رسانده می­شود. در این مرحله نمکهای پتاسیم به سطح نانولوله­ها می­چسبند(٣). نانولوله­ها در مرحله 3 بدون ته­نشینی در محلول پراکنده می­گردند. مرحلۀ بعدی، اضافه کردن مقدار زیاد از کلرید کادمیوم است تا جابجائی بین یونهای پتاسیم و یونهای کادمیوم آغاز گردد(4). در مرحله آخر با اضافه کردن مقدار زیادی از سولفید سدیم به ذرّات سیاه رنگِ مرحله 4(که قبلاً سانتریفیوژ و شستشو داده شده­اند) نانوذرّات CdS زرد رنگ درسطح نانولوله­ها تشکیل می­گردد.

1-15-٣   روش مهار کردن

در روش مهار کردن، به دنبال عاملی هستیم که در حین مراحل تولید، با پیوند به سطح ذرّات از رشد آنها جلوگیری کند. این روش یکی از پرکاربردترین روشهای شیمیائی تولید نانوذرّات است[17، 35، 43،47]. فلزّات را هم می­توان با این روش تولید نمود. این قسمت به دنبال معرفی اصول و مزایای این روش برای تولید نانوذرّات CdS است و گزارش کامل آزمایشها و نتایج، در فصل سوّم و چهارم آورده خواهد شد.

1-15-3-1  اصول این روش

 ذرّات ریزی که در یک محیط به صورت یکنواخت توزیع شده­اند را کلوئید[6] گویند. این ذرّات ریز، سوسپانسیون را شکل می­دهند. در سوسپانسیون و در فواصل کوچک درون ذرّه­ای، دو ذرّه  همدیگر را با نیروئی متناسب با جذب می­کنند و رشد ذرّات را باعث می­گردند.

در کلوئیدی که حاوی یونهای کادمیوم و سولفید است، یونها با اتصال به یکدیگر ذرّات سولفید کادمیوم را تشکیل می­دهند. این ذرّات بر اساس آنچه که در 1-8 گفته شد، میل زیادی برای اتصال به یکدیگر و تشکیل CdS توده­ای دارند. برای آزمایشی که در آن، هدف، تولید نانوذرّات CdS است باید از ادامه رشد ذرّات جلوگیری شود. این رشد می­تواند به کمک یک عامل مهارکننده پایان یابد. این عامل با پیوند(این پیوند عموماً یک پیوند الکتروستاتیکی است) به سطح خوشه­ها، از رشد آنها جلوگیری می­کند[7]. در حقیقت مهارکننده در مراحل اوّلیه رشد ذرّه، با ایجاد پوشش، از دسترسی بیشتر ذرّات به یکدیگر ممانعت به عمل می­آورد. در نبود عامل مهارکننده، ذرّات جامدِ کلوئید، همدیگر را جذب کرده و مجتمع می­شوند. شکل1-12 نمائی از این اتفاقات را نشان داده است.

انواع مهارکننده­ها بر کیفیت تشکیل نانوذرّات تأثیر دارند. از مزیّتهای این روش، امکان کنترل اندازه ذرّات از طریق تغییر در پارامترهای تولید می­باشد. نانوذرّات در نهایت به صورت کلوئیدی و یا پودری مورد استفاده قرار می­گیرند. نانو ذرّات تبدیل شده به صورت پودر این قابلیت را دارند که بار دیگر در آب معلّق شده و شکل کلوئیدی به خود بگیرند. امکان آلائیدن نانوذرّات با عناصر دلخواه، از مزیتهای این روش است. یکی از نکات منفی درباره این روش، سمّی و بد بو بودن اغلب مهارکننده­ها است.

 

به دلیل اینکه افزایش غلظت مهارکننده، باعث ایجاد پوشش سریع و کاملتری در اطراف ذرّات می­شود، منطقی است که در این صورت، ذرّات با اندازه کوچکتری هم تولید ­شوند. می­توان اندازه ذرّات را با تنظیم نسبت غلظت مهارکننده به غلظت مواد اوّلیه کنترل کرد. این نسبت، تنها پارامتری نیست که برای کنترل اندازه ذرّات از آن استفاده می­گردد. پارامترهائی که با تغییر در آنها می­توان اندازه و توزیع اندازه ذرّات را کنترل نمود عبارتند از[35]

* نوع و غلظت مهارکننده

* نوع و غلظت مواد اوّلیه

* نرخ ورود مواد اوّلیه و مهارکننده به محیط واکنش

* سرعت تکان محلولها در ظرف واکنش

* PH محیط

* دما

البنه پارامترهای دیگری نیز در تولید نانوذرّات دخالت دارند ولی سهم آنها اندک می­باشد. برخی از آنها عبارتند از حجم ظرف واکنش، مقدار مواد اوّلیه، فشار محیط و …

1-15-٣-2   مهارکننده نشاسته

به دلیل اینکه بسیاری از مهارکننده­ها سمّی و بدبو هستند، محققان به دنبال استفاده از مواد غیر سمّی جایگزین می­باشند. نشاسته از جمله کاندیداهای خوب برای این جایگزینی است[78] زیرا این ماده یک پلیمر تجدید پذیر است و حالت مارپیچی راست گرد را در محلول برمی­گزیند. تعداد زیادِ یونهای هیدروکسیل آن می­توانند یونهای فلزّی را به مولکول نشاسته متصل کنند.

در آزمایشی که نشاسته به عنوان مهارکننده به کار رفته، از نیترات کادمیوم و سولفید سدیم به عنوان مواد اوّلیه استفاده شده است. غلظت مهارکننده نشاسته پنج برابر مواد اوّلیه دیگر و محیط در PH بین 8 تا 9 قرار داده شده است. با استفاده از فرمول دبای شرر، اندازه ذرّات 4.2 نانومتر تخمین زده شده است. فرمول “براس” هم اندازه ذرّات را 4.5 نانو متر محاسبه نموده است. تصویر AFM از نانو ذرّات پوشیده با نشاسته نشان می­دهد که اندازه اغلب ذرّات از 8 تا 15 نانومتر و اندازه متوسط آنها 10 نانومتر می­باشد[78].

1-15-4   روش فوتوشیمیائی

برخی از گزارشها از استفاده از روشهای تلفیقی برای تولید نانو ذرّات CdS حکایت دارد. در روش فوتوشیمیائی که توسط مازیار مرندی[8] و همکارانش در دانشگاه صنعتی شریف انجام شده[79] نور فرابنفش((UV و عامل مهارکننده TG با فرمول شیمیائی  به طور همزمان به عنوان دو پارامتر برای کنترل اندازه ذرّات به کار رفته است. و مواد اوّلیه واکنش هستند.

در این روش، واکنشهای دخیل در تولید نانوذرّات هنگامی انجام می­شوند که نور UV به محیط بتابد. قبل از انجام واکنش، محیط را کمی اسیدی می­کنند زیرا در چنین محیطی، محلول حساسیت بیشتری به نور UV از خود نشان می­دهد. یون حساس به نور UV می­باشد که یونهای سولفید مورد نیاز در فرایند تولید نانوذرّات CdS را تأمین می­کند. محلول حاوی ،  و TG (که با آب مقطر رقیق شده­اند) را در یک محیط تاریک قرار می­دهند و نور UV را به آن می­تابانند. غلظت  صد برابر غلظت و غلظت مهارکننده در هر آزمایش، متغیر انتخاب می­گردد. با تاباندن نور به محلول، یونهای که به یون و تفکیک می­شوند. یونهای همچنین با ترکیب با یکدیگر، یونهای و را تشیکل می­د­هند و الکترون لازم برای واکنش را آزاد می­کنند. عامل مهارکننده با اتصال به سطوح، مانع از کلوخه شدن ذرّات CdS می­گردد. با افزایش زمان نورتابی و کاهش غلظت مهارکننده، اندازه ذرّات تولیدی بزرگتر می­شود.

برای دیدن قسمت های دیگر این تحقیق لطفا” از منوی جستجوی سایت که در قسمت بالا قرار دارد استفاده کنید. یا از منوی سایت، فایل های دسته بندی رشته مورد نظر خود را ببینید.

با فرمت ورد

Leave a comment