مطالعه­ی نانوسیم­های ZnS به روش VLS

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                               صفحه

فصل اول: نانو تکنولوژی و معرفی، ویژگی ها، کاربردها و روش های سنتز نانوسیم­ها

1-1-  نانوتکنولوژی………………………………………………………………………………………………………………2                                                 

    1-1-1- تعریف نانوتکنولوژی………………………………………………………………………………………………….2

    1-1-2- نانومواد……………………………………………………………………………………………………………………2

    1-1-3- تقسیم­بندی نانومواد…………………………………………………………………………………………………….3

    1-1-4- روش­های ساخت مواد نانومتری……………………………………………………………………………………5

        1-1-4-1- رویکرد بالا به پایین…………………………………………………………………………………………….6

        1-1-4-2- رویکرد پایین به بالا…………………………………………………………………………………………….6

        1-1-4-3- رشد در فاز گاز………………………………………………………………………………………………….7

        1-1-4-4- رشد در فاز مایع…………………………………………………………………………………………………7

        1-1-4-5- رشد در فاز جامد………………………………………………………………………………………………..8

        1-1-4-6- رشد در یک ماده­ی متخلخل………………………………………………………………………………..8

        1-1-4-7- رشد روی یک سطح…………………………………………………………………………………………..8

    1-1-5- موانع موجود در نانوتکنولوژی……………………………………………………………………………………..8

1-2- نانوسیم…………………………………………………………………………………………………………………………9

    1-2-1- تعریف نانوسیم………………………………………………………………………………………………………….9

    1-2-2- ویژگی­ها و کاربردهای نانوسیم­ها………………………………………………………………………………..10

    1-2-3- تکنیک­ها و روش­های سنتز نانوسیم­ها…………………………………………………………………………..12

    1-2-4- مکانیزم بخار- مایع- جامد (VLS)………………………………………………………………………………13

    1-2-5- مکانیزم بخار- جامد (VS)…………………………………………………………………………………………17

    1-2-6- روش رسوب­دهی شیمیایی بخار (CVD)……………………………………………………………………..17

        1-2-6-1- انواع فرآیندهای رسوب­دهی شیمیایی بخار (CVD)…………………………………………..18

        1-2-6-2- فرآیند رسوب­دهی شیمیایی بخار در حالت پایه………………………………………………………19

        1-2-6-3- مزایا، کاستی­ها و کاربردهای فرآیند رسوب­دهی شمیایی بخار………………………………….20

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                               صفحه

        1-2-6-4- تبخیر حرارتی شیمیایی با استفاده از پودر(TCVD)…………………………………………………22

    1-2-7- تکنیک­های رشد نانوسیم در راستای عمودی یا افقی………………………………………………………23

        1-2-7-1- ساخت الگوی کاتالیستی……………………………………………………………………………………24

        1-2-7-2- جهت­گیری به واسطه­ی بستر……………………………………………………………………………….25

        1-2-7-3- جهت­گیری به واسطه­ی میدان……………………………………………………………………………..25

 

فصل دوم: سولفید­روی و تکنیک­های طیف­سنجی

2-1- مقدمه­ای بر مواد نیمه­رسانا………………………………………………………………………………………..27

    2-1-1- تولید زوج الکترون و حفره در نیمه­رسانا……………………………………………………………………….28

    2-1-2- نیمه­رساناهای مستقیم و غیرمستقیم……………………………………………………………………………….28

    2-1-3- تقسیم­بندی نیمه­رساناها………………………………………………………………………………………………29

2-2- سولفیدروی……………………………………………………………………………………………………………….30

    2-2-1- ساختار بلوری…………………………………………………………………………………………………………30

    2-2-2- خواص فیزیکی سولفیدروی……………………………………………………………………………………….31

    2-2-3- ویژگی­ها و کاربردهای نانوساختارهای سولفیدروی………………………………………………………..33

        2-2-3-1- گسیل میدان در نانوساختارهای سولفیدروی………………………………………………………….34

        2-2-3-2- تولید نور لیزریUV در دمای اتاق……………………………………………………………………….35

        2-2-3-3- نانوژنراتورها برای تولید انرژی الکتریکی………………………………………………………………36

        2-2-3-4- سلول­های فوتوولتاﺋیک/خورشیدی………………………………………………………………………37

        2-2-3-5- حسگرهای مرئی-  غیرمرئی نور فرابنفش………………………………………………………………38

2-3- تکنیک­های طیف­سنجی…………………………………………………………………………………………….40

    2-3-1- میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)………………………………………………………………………..40

    2-3-2- الگوی پراش پرتو ایکس(XRD)………………………………………………………………………………..42

    2-3-3- طیف­سنجی پراش انرژی(EDS)………………………………………………………………………………….43

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                               صفحه

فصل سوم: مروری بر تحقیقات انجام شده بر روی نانوسیم­های سولفید­روی

 

3-1- رشد نانوسیم­هایZnS با قطرهای کوچک تحت مکانیزمVLS………………………………….46

 

3-2- تصویر میکروسکوپی از مراحل رشد نانوسیم­هایZnS تحت مکانیزمVLS………………….50

 

3-3- رشد نانوسیم­های هم­ترازZnS تحت مکانیزم VLS……………………………………………………..52

3-4- رشد نانوسیم­هایZnS تحت مکانیزمVS……………………………………………………………………..56

 

3-5- بررسی اثر دمای زیرلایه و حضور کاتالیست طلا……………………………………………………….59

 

3-6- بررسی اثر نوع زیرلایه………………………………………………………………………………………………63

 

3-7- بررسی اثر نوع کاتالیست استفاده­شده در مکانیزمVLS……………………………………………..66

 

فصل چهارم: کار تجربی

4-1- سیستم آزمایشگاهی استفاده­شده جهت رشد نانوساختارهای سولفیدروی…………………72

 

4-2- آماده­سازی زیرلایه­ها………………………………………………………………………………………………..73

 

4-3- روش آزمایش و مواد اولیه………………………………………………………………………………………..73

 

4-4- مشخصه­یابی نمونه­ها…………………………………………………………………………………………………..74

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                               صفحه

4-5- نتایج و بحث………………………………………………………………………………………………………………74

    4-5-1- آزمایش شماره­ی1…………………………………………………………………………………………………..74

        4-5-1-1- طیف پراش اشعه ایکس نمونه­ی ساخته شده…………………………………………………………..75

        4-5-1-2- مورفولوژی سطح نمونه……………………………………………………………………………………..77

    4-5-2- آزمایش شماره­ی2……………………………………………………………………………………………………78

        4-5-2-1- برر سی خواص ساختاری و طیف پراش اشعه ایکس نمونه­ها…………………………………….79

        4-5-2-2- مورفولوژی  سطح نمونه­ها………………………………………………………………………………….84

        4-5-2-3- طیف پراش انرژی(EDS) نانوسیم­های سولفید­روی…………………………………………………86

    4-5-3- آزمایش شماره­ی3……………………………………………………………………………………………………87

        4-5-3-1- مورفولوژی سطح نمونه­ها…………………………………………………………………………………..88

4-6- مکانیزم رشد نانوسیم­های سولفیدروی……………………………………………………………………….90

4-7- نتایج…………………………………………………………………………………………………………………………..91

 

4-8- منابع و مراجع……………………………………………………………………………………………………………94

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                                صفحه

جدول(2-1) تعدادی از مهم­ترین نیمه­رساناها در گروه­های مختلف……………………………………………………30

جدول(2-2) خواص فیزیکی سولفید­روی…………………………………………………………………………………….32

جدول(3-1) داده­های بدست­آمده از آنالیزEDS برای همه­ی نمونه­ها…………………………………………………62

جدول(3-2) درصد اتمی عناصر موجود در نانوساختارهایZnS رشد داده شده به کمک کاتالیست­های Mn، Au وSn…………………………………………………………………………………………………………………………………69

جدول(4-1) مقادیر ثابت­های شبکه­ی نانوساختارهای سولفید­روی رشد یافته در سه دمای متفاوت…………..82

جدول(4-2) مشخصات مربوط به قله­های پراش نانوساختارهایZnS رشد یافته بر روی زیرلایه­ی سیلیکونی با پوشش طلا به ضخامت nm20 )نمونه­ی A#(………………………………………………………………………………..83

جدول(4-3) مشخصات مربوط به قله­های پراش نانوساختارهایZnS رشد یافته بر روی زیرلایه­ی سیلیکونی با پوشش طلا به ضخامت nm5 )نمونه­یB#(…………………………………………………………………………………..84

 

فهرست نمودارها و شکل­ها

عنوان                                                                                                                                               صفحه

شکل(1-1) تصاویرSEM گرفته شده از الف) نانوذراتZnS، ب) نانولوله­هایTiO₂، ج) نانوتسمه­های  CdS، د) نانوفنرهایZnO، ن) نانومیله­هایZnO، و) نانوحلقه­هایZnO………………………………………………………….5

شکل(1-2) تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانوسیم­هایZnS……………………………………………..10

شکل(1-3) توصیف شماتیک مکانیزم رشد بخار- مایع- جامد که شامل سه مرحله است:  (I) آلیاژسازی، (II) هسته­سازی و (III) رشد محوری ………………………………………………………………………………………….14

شکل(1-4) دیاگرام فازی طلا-ژرمانیم، تغییر فاز در طی فرآیند رشد نانوسیم ……………………………………15

شکل(1-5) تصاویر TEM گرفته شده از فرآیند رشد نانوسیم a) نانوخوشه­ی طلا دردمایC˚500، b) شروع آلیاژسازی، c) آلیاژ طلا/ ژرمانیم، d) جوانه­زنی نانوکریستال ژرمانیم روی سطح آلیاژ و e وf) امتداد یافتن نانوکریستال ژرمانیم با رسوب کردن ژرمانیم ………………………………………………………………………………..15

شکل(1-6) شماتیک دستگاه آزمایشگاهی رشد نانوساختار……………………………………………………………..23

شکل(1-7) تصاویرSEM نانوسیم­هایZnO با آرایه­ی الگوی الف)مربعی و ب)خطی بر روی زیرلایه­ی آلومینا صفحه­ی – a ……………………………………………………………………………………………………………….. 24

شکل (2-1) نمایی از گاف نواری (a) مستقیم و (b) غیرمستقیم در نیمه­رسانا ………………………………………29

شکل (2-2)(راست) ساختار هگزاگونال ورتزیت سولفید­روی و (چپ) ساختار مکعبی زینک­بلند سولفیدروی …………………………………………………………………………………………………………………………………………….31

شکل(2-3) (a) تصویرTEM و الگویSAED گرفته شده از آرایه­هایی از نانوتسمه­هایZnS هم­جهت و (b) عملکرد گسیل میدان افزوده­ی آن­ها ……………………………………………………………………………………………35

شکل(2-4) طیف­های PL گرفته شده از نانوسیم­ها و نانونوارهای هم­راستای سولفیدروی تحت توان­های برانگیزش لیزری متفاوت در دمای اتاق ……………………………………………………………………………………….36

شکل(2-5) طرح شماتیک از سلول خورشیدی بر مبنای آرایه های نانوساختارهای یک بعدی ZnS…………38

شکل(2-6) حسگرهای مرئی- غیرمرئی نور فرابنفش بر مبنای نانوتسمه­های ZnS و نمودارهای جریان- زمان مربوط به آنها. (a) و (d) مربوط به حسگرهای بر مبنای تک نانوتسمه­ی ZnS، (b) و(e) مربوط به حسگرهای بر مبنای چند نانوتسمه­ی ZnS و (c) و (f) مربوط به حسگرهای بر مبنای تسمه­های ZnS با ابعاد میکرومتر ……………………………………………………………………………………………………………………………….40

فهرست نمودارها و شکل­ها

عنوان                                                                                                                                               صفحه

شکل(2-7) شماتیکی از یک دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی ……………………………………………….41

شکل(3-1) طرح شماتیک از سیستم آزمایشگاهی استفاده شده ……………………………………………………….46

شکل(3-2) تصویرSEM و طیفEDS از نانوسیم­هایZnS رشد یافته با قطرهای کوچک ……………………..47

شکل(3-3) تصاویرSEM از جزئیات رشد نانوسیم­هایZnS ……………………………………………………………47

شکل(3-4) طرح شماتیک از رشد نانوسیم­هایZnS با قطرهای کوچک تحت مکانیزم VLS ………………..48

شکل(3-5) طیفXRD از نانوسیم­هایZnS با قطرهای کوچک ………………………………………………………49

شکل(3-6) (الف و ج) تصاویرHRTEM گرفته شده از دو نانوسیمZnS و ضمائم، الگوهای آنها می‌باشند، (ب و د) طرح شماتیک از دو صفحه­ی و ساختار ورتزیتZnS ………………………………………………………..50

شکل(3-7) تصویرSEM و طیفEDS گرفته شده از نانوسیم­های رشد یافته در دمای C˚700 ………………..51

شکل(3-8) تصاویرAFM گرفته شده از مراحل رشد نانوسیم­های سولفیدروی تحت مکانیزمVLS………….52

شکل(3-9) طرح شماتیک از سیستم آزمایشگاهی استفاده شده برای ساخت نانوسیم­های هم­تراز سولفیدروی …………………………………………………………………………………………………………………………………………….53

شکل(3-10) تصاویرSEM از نانوسیم­های هم­ترازZnS با دو بزرگنمایی متفاوت …………………………………53

شکل(3-11) طیفEDS از نانوسیم­های سولفیدروی ……………………………………………………………………..54

شکل(3-12) طیفXRD بدست آمده از نانوسیم­های هم­ترازZnS ……………………………………………………54

شکل(3-13) طیف PL از نانوسیم­هایZnS رشد یافته …………………………………………………………………….55

شکل(3-14) طرح شماتیک از رشد نانوسیم­های هم­تراز سولفید­روی با کمک ماده­ی آلی و تحت مکانیزم VLS ……………………………………………………………………………………………………………………………………55

شکل(3-15) (الف) تصویرSEM و (ب) طیفXRD بدست آمده از نانوسیم­های سولفیدروی رشد داده شده تحت مکانیزم VS ……………………………………………………………………………………………………………………57

شکل(3-16) (الف وب) به ترتیب تصاویر TEM و HRTEM گرفته شده از نانوسیم­هایZnS با ساختار ورتزیت، (ج و د) به ترتیب تصاویر TEM و HRTEM گرفته شده از یک نانوسیم ZnS با ساختار اسفالریت.. …………………………………………………………………………………………………………………………………………….58

شکل(3-17) طیف CL  گرفته شده از نانوسیم­های سولفیدروی رشد یافته تحت مکانیزم  VLS……………..59

فهرست نمودارها و شکل­ها

عنوان                                                                                                                                               صفحه

شکل(3-18) (الف) طیف­های XRD بدست آمده از محصولات رشد یافته بر روی زیرلایه­های سیلیکونی با پوشش طلا واقع در دماهای C˚950 (نمونه­یA )، C˚900 (نمونه­یB ) و C˚850 (نمونه­یC )، (ب) طیف­های XRD بدست آمده از محصولات رشد یافته بر روی دو زیرلایه­ی سیلیکونی، یکی بدون پوشش طلا و دیگری با پوشش طلا، واقع در دمای C˚950 (به ترتیب نمونه­هایD وA) …………………………………………..61

شکل(3-19) تصاویر SEM گرفته شده از محصولات رشد یافته در دماهای (الف) C˚850 (نمونه­ی C)، (ب) C˚900 (نمونه­یB)، (ج) C˚950 (نمونه­یA) و (د) C˚950 بر روی زیرلایه­ی سیلیکونی بدون پوشش طلا (نمونه­ی D) ……………………………………………………………………………………………………………………………63

شکل(3-20) تصاویر SEM مربوط به محصولات رشد یافته بر روی زیرلایه­ی SiO₂/(100)Si پوشش داده شده با طلا …………………………………………………………………………………………………………………………….64 شکل(3-21) تصاویرSEM مربوط به محصولات رشد یافته بر روی زیرلایه­ی(100)Si پوشش داده شده با طلا ………………………………………………………………………………………………………………………………………65

شکل(3-22) تصاویرSEM گرفته شده از نانوخوشه­های طلا بر روی زیرلایه­های (الف) Si و (ب)    Si/SiO₂…………………………………………………………………………………………………………………………………65شکل(3-23) طیف­هایXRD و تصاویرSEM مربوط به نانوساختارهای رشد یافته به کمک کاتالیست­های Sn، Au و Mn ………………………………………………………………………………………………………………………68

شکل(3-24) طیف­های رامان بدست آمده از نانوساختارهای سولفید­روی رشد داده شده به کمک کاتالیست­های Au، Mn و Sn …………………………………………………………………………………………………………………70

شکل(4-1) طرح شماتیک سیستم رشد نانوساختارهای سولفیدروی ………………………………………………….72

شکل(4-2) طیف پراش اشعه­ی ایکس نمونه­ی ساخته شده در دمایC˚540………………………………………..76

شکل(4-3) تصاویرFE-SEM محصولات رشد یافته در دمایC˚540 ……………………………………………….78

شکل(4-4) طیف­های پراش اشعه ایکس نانوساختارهای رشد یافته در دماهایC˚560 ( نمونه­ی (#C، C˚600 (نمونه­یB#) وC˚700 (نمونه­یA#) …………………………………………………………………………………………..80

شکل(4-5) تصاویرSEM نانوساختارهای سولفیدروی تهیه شده در سه دمای (الف)C˚560، (ب)C˚600، (ج ود)C˚700 …………………………………………………………………………………………………………………………….85

فهرست نمودارها و شکل­ها

عنوان                                                                                       صفحه

شکل(4-6) طیفEDS نانوسیم­های سولفیدروی رشد داده شده در دمای C˚700 ………………………………..87

شکل(4-7 ) تصاویرSEM مربوط به نمونه­های (الف و ب) #F، (ج و د)E# و (ن و ه) D# با دو مقیاس متفاوت ………………………………………………………………………………………………………………………………..88