دانلود پایان نامه

(a) لایۀ نازک NiO خالص و (b) لایۀ نازک NiO با آلایش 50% کلرید لیتم ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 82
شکل 4-6 حساسیت حسگر A به بخار استون در دماهای مختلف ………………………………………………. 84
شکل 4-7 حساسیت حسگر B به بخار استون در دماهای مختلف ………………………………………………. 84
شکل 4-8 مقایسۀ اثر دما بر پاسخ حسگر برای حسگرهای A و B ………………………………………………. 85
شکل 4-9 نمودار حساسیت بر حسب غلظت برای حسگرهای A و B در دماهای کار مربوطه …… 86
شکل 4-10 حساسیت حسگر A به غلظت‏های مختلف بخار استون در دمای کار °C 150 ……….. 86
شکل 4-11 حساسیت حسگر B به غلظت‏های مختلف بخار استون در دمای کار °C 300 ……….. 87
شکل 4-12 زمان پاسخ وبازیابی حسگر A نسبت به ppm 4000 بخار استون در دمای کار °C 150 ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 87
شکل 4-13 زمان پاسخ وبازیابی حسگر B نسبت به ppm 4000 بخار استون در دمای کار °C 300 ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 88

جدول فهرست جدول‏ها صفحه
جدول 2-1 اندازۀ متوسط بلورک نانو ذرات NiO بعد از بازپخت …………………………………………………. 36
جدول 2-2 نسبت‏های ظاهری نانوسیم‏های NiC2O42H2O بدست آمده با تغییر دمای واکنش هیدروترمال و زمان …………………………………………………………………………………………………………………………. 49
جدول 4-1 مشخصات نمونه‏های سنتز شده ………………………………………………………………………………….. 76

فصل اول
معرفی اکسید نیکل

1-1 مقدمه
اکسیدهای نیکل ممکن است به صورت‏های گوناگون مانند NiO، NiO2، NiO4 و Ni2O3 وجود داشته ‏باشند ]1[. 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 پایان‏نامه 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 ]1[. NiO یکی از معروف‏ترین مواد الکتروکرومیک1 بعد از اکسید تنگستن است. به عنوان یک ماده الکتروکرومیک، به سبب بازده الکتروکرومیک (η) بالا،
(1-1)
∆ (optical density)=ɳ × ∆ (charg density)
برگشت‏پذیری دوره‏ای، پایداری و رنگ‏آمیزی خاکستری که در تکنولوژی پنجره‏های هوشمند مفید است مزایای ویژه‏ای دارد ]2[. NiO یک مادۀ الکتروکرومیک آندی است که می‏تواند در ترکیب با یک مادۀ الکتروکرومیک کاتدی مانند اکسید تنگستن (WO3) استفاده ‏شود ]3[.
اکسید نیکل بدون آلایش دارای انرژی گاف نواری مستقیم و پهن در گسترۀ eV 0/4-6/3 و چگالی g/cm3 67/6 است. هنگامی که در حضور هوا گرم می‏شود به خاطر تولید تهی‏جاهای Ni2⁺ در ساختار NiO، نیم‏رسانندگی نوعp- نشان می‏دهد ]1[. 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)2 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 NiOx غیر استوکیومتری می‏شود. NiO استوکیومتری یک عایق با مقاومت ویژه از مرتبۀ Ω 1013 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 ]4[.
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 ]5[.
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° 400 گرم می‏شود می‏تواند اکسیژن را جذب کند و به Ni2O3 تبدیل شود. هنگامی که تا C° 600 گرم می‏شود دوباره به NiO تبدیل می‏شود.

مطلب مرتبط :   پایان نامه با کلید واژگانجایگاه، قصه‌گو، بررسی، آرش

1-2 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 اکس
ید نیکل شناسایی شده‏اند.
یکی از ساختارهای بلورین اکسید نیکل، ساختار هگزاگونال با ثابت‏های شبکه nm 295/0=a و nm 723/0=c است ]6[. این ساختار در شکل 1-1 نشان داده شده است.

شکل 1-1: ساختار هگزاگونال

ساختار بلورین دیگر، یک ساختار مکعبی مانند ساختار کلرید سدیم (NaCl) با پارامتر شبکه Å 195/4=a می‏باشد ]7[ که در شکل 1-2 نشان داده شده است.

شکل 1-2: ساختار مکعبی

1-3 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 ]8[. 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.

1-3-1 مواد الکتروکرومیک
موادی که قادر هستند خواص اپتیکی خود را به عنوان یک پاسخ به محرک خارجی تغییر دهند به عنوان کروموژنیک3 شناخته می‏شوند. این تغییر در خواص اپتیکی می‏تواند از طریق پرتودهی با نور (مواد فوتوکرومیک4)، تغییر در دما (مواد ترموکرومیک5) و به کار بردن یک ولتاژ الکتریکی (مواد الکتروکرومیک6) اتفاق بیفتد ]9[ .
اثر الکتروکرومیک برای نخستین بار در سال 1960 در فیلم‏های نازک اکسیدهای فلزات 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 فرآیند الکتروکرومیسم7 یک ماده می‏تواند تحت تأثیر میدان یا جریان الکتریکی اعمال شده تغییر رنگ پایا و برگشت‏پذیر نشان دهد ]10[. از میان مواد الکتروکرومیک آلی و غیر آلی بسیار، اکسیدهای فلزات واسطه بیشتر مطالعه شده‏اند زیرا آن‏ها تغییر قابل توجهی در استوکیومتری نشان می‏دهند ]11[.

1-3-2 انواع مواد الکتروکرومیک
مواد الکتروکرومیک دو نوع هستند: 1- مواد الکتروکرومیک کاتدی که به محض کسب یون یا الکترون تغییر رنگ می‏دهند. 2- 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 معکوس شدن فرآیندها این مواد، شفاف می‏شوند ]12[.
1-4 کاربرد‏های اکسید نیکل
از جمله کاربردهای NiO می‏توان به موارد زیر اشاره کرد:
نیم‏رسانای نوع-p شفاف ]14-13[، کاتالیزور ]15[، حسگر گازی برای انواع مختلفی از گازها ]16[، الکترود در باطری‏های یون لیتیم ]17[، فیلم‏های الکتروکرومیک ]18[، لایۀ آنتی فرومغناطیس ]19[، سلول‏های خورشیدی ]20[، سوپرخازن‏های الکتروشیمیایی ]23-21[، دستگاه‏های فوتوولتایی ]24[ و پنجره‏های هوشمند ]25[. در این میان به کاربرد NiO در حسگرهای گازی (فصل دوم) و پنجره‏های هوشمند می‏پردازیم.
1-4-1 پنجره‏های هوشمند
یک پنجره هوشمند متشکل از تعدادی لایه می‏باشد. پنج لایه که بین دو زیرلایه به صورت طبقه طبقه روی هم قرار گرفته‏اند. جنس زیرلایه‏ها از شیشه می‏باشد و لایه‏ها عبارتند از: فیلم‏های نازک الکتروکرومیک (یک فیلم نازک الکتروکرومیک آندی مانند NiO و یک فیلم نازک الکتروکرومیک کاتدی مانند (WO3)، لایه‏های رسانای شفاف، رسانای یون (الکترولیت حاوی یون‏ها) ]12[. در شکل 1-3 طرح شماتیک یک پنجره هوشمند نشان داده شده است.

مطلب مرتبط :   مقاله رایگان درمورداستان خوزستان، استان گلستان

شکل 1-3: طرح شماتیک یک پنجرۀ هوشمند ]26[.
مناسب‏ترین لایه‏های رسانای شفاف، ITO (اکسید قلع آلایش شده با ایندیم که روی زیرلایه‏های شیشه‏ای لایه‏نشانی شده) و FTO (اکسید قلع آلایش شده با فلوئور که روی زیرلایه‏های شیشه‏ای لایه‏نشانی شده) هستند. رسانای یون می‏تواند یک فیلم نازک یا یک مادۀ کپه‏ای باشد، در کاربرد صنعتی یک ماده جامد ترجیح داده می‏شود درحالی که الکترولیت‏های مایع (اغلب محلول M 1/0 هیدروکسید پتاسیم) برای کار پژوهشی مناسب هستند. از یون‏های الکترواکتیو مختلفی می‏توان در الکترولیت استفاده کرد به هر حال یون‏های با سایز کوچک مانندLi⁺ وH⁺ به جهت تحرک بیش‏تر آن‏ها تحت تاثیر میدان الکتریکی اعمال شده، ترجیح داده می‏شوند. ولتاژ DC مورد نیاز از مرتبه ev 1 است. هنگامی که یک اختلاف پتانسیل به یک پنجرۀ هوشمند اعمال می‏شود (همان طور که در شکل نشان داده شده، هر یک از قطب‏های منبع تغذیه به یکی از لایه‏های رسانای شفاف وصل می‏شود.این لایه‏ها فقط الکترو‏ن‏ها را هدایت می‏کنند در حالی که فیلم‏های الکتروکرومیک لایه‏نشانی شده روی این لایه‏ها علاوه بر الکترون‏ها یون‏ها را نیز هدایت می‏کنند) یک میدان الکتریکی در داخل الکترولیت ایجاد می‏شود که باعث جدایی یون‏های مثبت و منفی موجود در الکترولیت می‏شود. NiO به عنوان قطب مثبت در ساختمان پنجرۀ هوشمند استفاده می‏شود، بنابراین یون‏های منفی را هدایت کرده و با آن‏ها واکنشی به صورت زیر انجام می‏دهد و در طی این واکنش رنگی می‏شود (خاک
ستری رنگ). این واکنش یک واکنش اکسایشی است ]26[.
(1-2)
NiO + OH ˉ ↔ NiOOH + e ˉ
(خاکستری ‏رنگ) (بی‏رنگ)

1-5 مروری کوتاه بر برخی از تکنیک‏ها‏ی مشخصه‏یابی نانو ساختار‏ها
قابلیت بررسی نانوساختار، در واقع به پیشرفت تجهیزات و تکنیک‏های مشخصه‏یابی فیزیکی و ساختاری بستگی دارد. درک ساختار نانو مواد با تعیین رابطۀ بین خواص ساختاری و کاربرد آن‏ها امکان‏پذیر است. نانوتکنولوژی، افق‏های جدیدی را برای تکنیک‏های تعیین خواص فیزیکی مواد نانو مقیاس باز کرده ‏است. امروزه تعیین خواص نانو مواد به منظور کاربردی‏تر شدن این ساختارها، مورد توجه بسیاری از محققان و سرمایه‏گذاران قرار گرفته‏ است. در این پایان‏نامه خواص ساختاری نانو ساختارها و لایه‏‏های نازک به وسیلۀ پراش پرتو ایکس8 (XRD) میکروسکوپ روبشی الکترونی گسیل میدانی9 (FESEM) و EDX مورد مطالعه قرار گرفته‏اند.

1-5-1 طیف سنجی پراش پرتو ایکس
طیف پراش پرتو ایکس روشی مرسوم است که برای شناسایی ساختار بلوری نانو ساختارها استفاده می‏شود. شکل 1-4 نمونه‏ای از دستگاه پراش پرتو X را نشان می‏دهد. نمونه‏ها در محل مورد نظر قرار گرفته و پرتویی با خط تابش αCu K با طول موج 54/1 آنگستروم به سطح نمونه فرود می‏آید. از آنجا که نگه‏دارندۀ نمونه قابل چرخش است تابش فرودی می‏تواند با زوایای مختلف سطح نمونه را جاروب کند. پارامترهای مهمی از نانوساختارها نظیر نوع ساختار بلوری (با توجه به موقعیت قله‏ها و مقایسۀ آن با کارت‏های استاندارد10 JCPDS) و راستای رشد ترجیحی را می‏توان یافت. هم‏چنین به کمک این داده‏ها می‏توان اندازه بلورک‏ها و ثابت‏های شبکه‏ای مادۀ مورد نظر را به شرح ذیل محاسبه کرد.

شکل 1-4 :(الف) دورنمایی از دستگاه پراش پرتو X مدل Bruker-AXS در دانشگاه دامغان (ب) محل قرار گرفتن نمونه

به منظور تعیین ثابت‏های شبکه‏ای یک بلور (بس‏بلور) لازم است از فاصلۀ بین صفحات بلوری (d) اطلاع داشته باشیم. برای این مقصود می‏توان از قانون براگ به صورت ]27[:
(1-3)
〖2d〗_hkl sin⁡(θ_hkl )=nλ
استفاده کرد. در این رابطه dhkl فاصلۀ بین صفحات مجاور در راستای hkl (شکل 1-5 )، θ زاویۀ پراش، n مرتبۀ پراش، λ طول موج پرتو X است. اکنون با معلوم شدن d و با استفاده از رابطۀ زیر برای ساختارهای شش گوشی ]28[:
(1-4)
1/(d_hkl^2 )=4/3 [(h^2+hk+ k^2)/a^2 ]+l^2/c^2

می‏توان a و c ثابت‏های شبکۀ مادۀ مورد نظر را یافت.

شکل 1-5: شمای یک شبکۀ بلوری برای نشان دادن قانون براگ ]27[.

1-5-2 میکروسکوپ روبشی الکترونی گسیل میدانی
برخلاف میکروسکوپ‏های الکترونی روبشی که منبع باریکۀ آن از الکترون‏های گسیلی (تفنگ الکترونی) بر اثر گسیل گرما یونی از فیلامان یا رشته تنگستنی حاصل می‏شود،


دیدگاهتان را بنویسید