تولید نانو ساختار های ترکیبی اکسید روی و بررسی خواص نوری و کاربردهای آن

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                   صفحه

فصل اول : مقدمه

1- 1-  مقدمه ای بر نانو فناوری.. 2

1-2-   فناوری نانو و همگرايي علمي.. 3

1-2-1-  نانو فناوری مرطوب… 3

1-2-2- نانو فناوری خشك…. 3

1-2-3- نانو فناوری تخميني (محاسبه‌اي) 4

1- 3-  لزوم توجه به مقياس نانوساختار 4

1- 4-  نانوساختارهای اکسیدروی.. 5

1- 5-  معرفی فصل‌های آینده 7

فصل دوم: طبقه بندی و روش‌های سنتر نانو مواد

2-1-  مقدمه. 9

2-2-  طبقه‌بندی نانو مواد از نظر ابعاد. 9

2-2-1- نانو مواد صفر بعدی.. 10

2-2-2- نانو مواد یک بعدی.. 10

2-2-3- نانو مواد دو بعدی.. 11

2-2-4- نانو مواد سه بعدی.. 11

2-3- روش‌های سنتر عناصر پایه. 12

2-3-1- روش بالا به پایین.. 13

2-3-1-1- تغییر شکل‌دهی پلاستیکی شدید  (SPD) 13

2-3-1-2- آسياب‌هاي پرانرژي.. 14

2-3-1-3- لیتوگرافی.. 15

2-3-1-4- سونش…. 16

2-3-2- روش پایین به بالا. 16

2-3-2-1- روش‌هاي فيزيكي تبخیری.. 19

2-3-2-1-1-  روش تبخیر گرمایی.. 20

2-3-2-1- 2- روش تبخیر توسط باریکه‌ی الکترونی.. 21

2-3-2-1- 3- روش برآرایی توسط باریکه مولکولی (MBE) 23

2-3-2-1- 4 – روش لیزری پالسی (PLD) 24

2-3-2-1-5 – روش تبخیر به کمک شعاع یونی (IBAD) 25

2-3-2-2 – روش کندوپاش…. 26

2-3-2-2 – 1- روش کندوپاش با جریان مستقیم (DC) 27

2-3-2-2 -2- روش کندوپاش با امواج رادیویی (RF) 28

2-3-2-2 -3- روش کندوپاش با شتابدهنده مغناطیسی.. 29

2-3-2-3- روش چرخشی ( اسپینی ) 30

2-3-2-4-  سل –  ژل.. 30

2-3-2-5- هیدروترمال.. 32

2-3-2-6- آندایزکردن.. 32

2-3-2-7- روش صفحه گذاری.. 33

2-3-2-7- 1- روش صفحه گذاری با الکتریسیته ( الکترولیز ) 33

2-3-2-7- 2- صفحه گذاری بدون الکتریسیته. 34

2-3-2-8-  روش‌هاي شیمیایی تبخیری.. 35

فصل سوم: خواص و ویژگی­های نیمه‌رساناها

3-1 –  مقدمه. 38

3-2 –  خواص اساسی نیمه‌رساناها 39

3-2-1- ساختار نواری.. 39

3-2-2- گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمه‌رساناها 40

3-2-3- انتقال حامل در نیمه‌رسانا 41

3-3 –  اکسید روی.. 44

3-3-1- ساختار بلوری اکسید روی.. 46

3-3-2- خواص مهم اکسید روی.. 50

3-4-  روش‌های ساخت نانوساختارهای اکسید روی.. 51

3-4-1- ساخت نانوسیم‌‌های اکسید روی.. 52

3-4-1- 1-  رشد فاز بخار 52

3-4-1- 2-  رشد فاز مایع.. 53

الف – روش هیدروترمال.. 53

الف – 1- تأثیر روش ‌بذر گذاری بر روش هیدروترمال.. 55

الف – 2-  تأثیر مدت زمان رشد بر روش هیدروترمال.. 57

الف – 3- تأثیر PH  محلول اولیه بر روش هیدروترمال.. 58

الف – 4- تأثیر جنس زیرلایه بر روش هیدروترمال.. 59

الف – 5- تأثیر دمای رشد بر روش هیدروترمال.. 59

الف – 6- تأثیر مواد افزودنی بر روش هیدروترمال.. 60

الف – 7- تأثیر HTMA  در شکل‌گیری نانوسیم‌ها در روش هیدروترمال.. 60

الف -8- تأثیر عوامل دیگر بر روش هیدروترمال.. 61

ب –  سایر روش‌های سنتز فاز محلول.. 61

3-4-2- ساخت نانوحفره‌‌‌های اکسید‌روی.. 62

3-4-2- 1-  ساخت به روش سلول الکتروشیمیایی 52

 

فصل چهارم: کاربردهای اکسیدروی

4-1 –  مقدمه. 69

4-2 –  حسگرها 70

4-2-1-حسگرگازی.. 70

4-2-2- زیست‌حسگرها 71

4-3 – خاصيت فوتو‌كاتاليستي.. 71

4-4 –  سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای.. 72

4-4-1- اجزای تشکیل دهنده‌ی سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه. 73

4-4-1-1-  زیرلایه. 73

4-4-1-2-  فوتو آند. 74

4-4-1-3-  الکترولیت… 74

4-4-1-4- الکترود شمارشگر (کاتد) 75

4-4-1-5-  جاذب نور 75

4-4-2- اصول عملکرد سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 76

فصل پنجم: تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی

5-1 –  مقدمه. 78

5-2- تمیزکاری.. 77

5-3- تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی.. 79

5-3-1- رشد نانوسیم اکسیدروی بر روی نانوحفره اکسیدروی.. 80

5-3-1-1- تولید نانوحفره 80

5-3-1-2- تولید نانوسیم.. 81

5-3-1-2- 1- تولید پوشش دانه‌ای.. 82

5-3-1-2- 2- رشد آرایه‌های نانو‌سیمی به روش هیدروترمال.. 82

5-3-1-3- بررسی اثر ولتاژ بر روی شکل‌گیری نانوساختارها 85

5-3-2- رشد نانوحفره‌ها بر روی لایه نازک از نانوسیم اکسیدروی.. 87

5-4- ساختار بلوری.. …………89

5-5- بررسی خواص نوری.. 90

5-6 –  ساخت سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه. 93

5-6-1- آماده‌ سازی الکترود کار در سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 39

5-6-2- آماده‌ سازی الکترود مقابل در سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 93

5-6-3- آماده‌ سازی الکترولیت در سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 93

5-6-4- بستن سلول خورشیدی رنگدانه‌ای.. 94

5-6-5- مشخصه‌یابی سلول‌ خورشیدی رنگدانه‌ای.. 94

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات………………………………………………………………..96

مراجع………………………………………………………………………………………………………………………………………..100

 

چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی

فهرست جدول­ها

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

جدول (3-1) خواص مهم اکسید روی .. 50

جدول (3-2) قطر و طول نانومیله‌های اکسیدروی متناسب با ضخامت لایه بذرگذاری شده. 56

جدول (3-3) میانگین قطر نانوسیم‌ها در زمان‌های مختلف .. 58

فهرست شکل­ها

عنوان                                                                                                                          صفحه   

شکل (2-1) مقایسه روش بالا به پایین و روش پایین به بالاتولید نانو ذرات……………………………………..12

شکل (2-2)  نمودار درختی روشها­ی فیزیکی لایه­نشانی …………………………………………………………………..18

شکل (2-3) نمودار درختی روشها­ی شیمیایی لایه­نشانی…………………………………………………………………..19

شکل (2-4) طرحواره‌ای از روش لایه‌نشانی تبخیری ………………………………………………………………………..21

شکل (2-5) طرحواره‌ای از دستگاه لایه نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی……………………………22

شکل (2-6)  طرحواره‌ای از لایه­گذاری منظم پرتوی مولکولی……………………………………………………………23

شکل (2-7) طرحواره‌ای از از دستگاه لایه نشانی لیزری پالسی ………………………………………………………..24

شکل (2-8) طرحواره‌ای از از لایه‌نشانی به روش کند­و­پاش ………………………………………………………………26

شکل (2-9) طرحواره‌ای از دستگاه لایه‌نشانی کندوپاش       RF………………………………………………… 28

شکل (2-10)  طرحواره‌ای از روش لایه‌نشانی سل – ژل …………………………………………………………………36

شکل (3-1) نحوه قرارگیری ترازها، نوارها و گاف انرژی…………………………………………………………………….40

شکل (3-2) ساختار بلوری اکسید روی……………………………………………………………………………………………….46

شکل (3-3) ساختار ورتسایت اکسید روی …………………………………………………………………………………………48

شکل (3-4) ساختارهای مختلف اکسید روی ……………………………………………………………………………………51

شکل (3-5) طرح واره ای از بذر گذاری استات روی بر روی بستر شیشه با لایه نشانی                                       چرخشی …………………………………………………………………………………………………………………………57

شکل (3-6) تصویری از یک سلول الکتروشیمیایی را برای رسوب دادن یک فلز، روی یک

               الکترود جامد ……………………………………………………………………………………………………………………62

شکل (3-7) طرحواره‌ای از یک دستگاه پتانسیواستات با سل الکتروشیمیایی که با دو امپدانس       جایگزین شده است ……………………………………………………………………………………………………….67

شکل (3-8) سلول الکتروشیمیایی سه الکترودی با منبع تغذیه………………………………………………………..67

شکل (4-1) طرحواره و نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای…………………………………………….76

شکل (5-1) شستشوی زیرلایه با استفاده از التراسونیک …………………………………………………………………..79

شکل (5-2) تصویر SEM   از رشد نانو ساختارهای اکسید روی …………………………………………………….81

شکل (5-3) طرحواره‌ی راکتور طراحی شده جهت روش هیدروترمال………………………………………………83

شکل (5-4) سامانه استفاده شده برای رشد آرایه‌های نانوسیمی، به روش هیدروترمال……………………83

شکل (5-5) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال………………83

شکل (5-6) تصویر SEM   از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال بر روی       زیرلایه صاف  و خام FTO……………………………………………………………………………………………84

شکل (5-7) نانوپروس‌های تولید شده توسط الکتروانباشت  الف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب) در   ولتاژ 1.0   ولت، ج) در ولتاژ 1.5ولت و د) در ولتاژ  2.0ولت  ……………………………………………………….85

شکل (5-8) نانومیله‌ها و نانوکلوخه‌های شکل گرفته بر روی زیرلایه‌های تولید شده به روش الکتروانباشت در  الف) ولتاژ 5/0 ولت، ب)  ولتاژ 1.0 ولت ج)  ولتاژ  5/1 ولت  و د) ولتاژ 2.0 ولت………………………………………………………………………………………………………………….86

شکل (5-9) تصویرSEM  از رشد نانو ساختارهای اکسید روی که بصورت نانومیله هستند در

              مرحله‌ی هیدروترمال………………………………………………………………………………………………………….87

شکل (5-10) تصویر SEM   از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی الکتروانباشت

                  الف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب)  در ولتاژ 1.0 ولت  ج)  در ولتاژ  1.5 ولت

                   و د) در ولتاژ 2.0 ولت ………………………………………………………………………………………………..88

شکل (5-11) الگوی پراش پرتو ایکس از نانو دیسک‌ها ی اکسید روی تولید شده به روش

                   الکترو انباشت…………………………………………………………………………………………………….88

شکل (5-12) منحنی جذب نانو سیم‌های اکسید روی، تک مرحله‌ای……………………………………………….90

شکل (5-13) منحنی جذب نانو پروس‌های اکسید روی، تک مرحله‌ای …………………………………………..91

شکل (5-14) منحنی جذب نانوساختار ترکیبی ZnO …………………………………………………………………….92

شکل (5-15) منحنی جریان – ولتاژ سلول خورشیدی حساس شده به رنگ با لایه اکسید‌روی…… 95