رشد نانوذرات مغز پوست93 CdTeCdS در محیط آبی به منظور بهبود بازدهی کوانتومی نورتابی رشد نانوذرات مغ
رشد نانوذرات مغز پوست93 CdTeCdS در محیط آبی به منظور بهبود بازدهی کوانتومی نورتابیچکیده در این پژوهش به بررسی روش رشد آبی نانو کریستال های CdTeو تاثیر رشد پوسته CdSبر روی بازدهی کوانتومی نورتابی و بررسی خواص اپتیکی این نانوذرات پرداخته می شود. در ابتدا با معرفی نانو کریستال های نیمه رسانا و خواص ویژه ناشی از محدودیت های کوانتومی در آن ها، روش های کلی مورد استفاده در سنتز این نانوساختارها و همچنین برخی از کاربردهای آن ها توضیح داده می شود. در ادامه مروری برتحقیقات انجام شده در این زمینه انجام می گیرد. در بخش کارهای عملی در ابتدا به تهیه نانوذرات CdTeدر حضور عامل پوششی تیوگلیکولیک اسید برای کنترل اندازه این نانوبلورها پرداخته می شود. در تمام آزمایش ها تلاش شد تا شرایط دستیابی به بالاترین بازدهی کوانتومی نورتابی برای این نانوکریستال ها به دست آید. نتایج نشان داد که بازدهی کوانتومی آن ها در زمان های طولانی حرارت دهی از مرتبه 20 ساعت به بیش از 40% می رسد. در این بازه حرارت دهی، اندازه ذرات در محدوده nm45/3-78/2 تغییر می کرد. در نهایت رشد نانوساختارهای هسته-پوسته CdTe/CdSبه منظور تشکیل یک پوسته غیر آلی بر سطح نانوکریستال های CdTeتهیه شده در زمان های حرارت دهی متفاوت با استفاده از ماده تیواستامید(C2H5NS) به عنوان ماده حساس به حرارت و به عنوان منبع S به همراه کادمیوم سولفات برای تشکیل پوسته استفاده شد. تیواستامید تحت حرارت به آهستگی تجزیه و با CdCl2منجر به تشکیل پوسته CdSبر سطح نانوذرات می گردید. ضخامت پوسته نیز با کنترل زمان حرارت دهی در حین واکنش کنترل می شد. بازدهی کوانتومی نورتابی ذرات در این قسمت به بیش از 60% رسید. واژگان کلیدی: کادمیوم تلوراید، کادمیوم سولفاید، رشد آبی، هسته، پوست فهرست مطالب عنوان ...... صفحه 1-5-1-2 تابش از نقص های شبکه16 1-7-1 انواع ساختارهای مغز-پوست30 1-8-3 رشد نانوبلورهای نورتاب به روش آلی-فلزی36 1-8-4 رشد نانوبلورهای نورتاب در محلول آبی39 1-10 آنالیز و بازدهی فوتولومینسانس (PL)42 1-11 کاربردهای نانوبلورهای نورتاب45 فصل دوم49 2-3 رشد نقاط کوانتومیCdTe/CdS59 فصل سوم83 3-2 مکانیزم واکنش رشد نانوبلورهای CdTe85 3-3 رشد نانوبلورهای CdTe در محیط آبی88 3-3-1 اصول کلی برای آماده سازی نمونه ها88 3-3-2 آماده سازی محلول NaHTe88 3-3-3 آماده سازی محلول شامل پیش ماده کادمیوم89 3-3-4 هسته زایی و رشد نانوبلورهای CdTe90 3-4-1 تعیین خواص اپتیکی CdTe92 3-4-2 تعیین خواص ساختاری نانوبلورهای CdTe 99 فصل چهارم105 4-1 مقدمه106 4-3 انتقال از نوع اول به نوع دوم109 4-5 محاسبه حداکثر ضخامت پوسته110 4-6 بررسی خواص اپتیکی و ساختاری نانوبلورهای هسته-پوسته CdTe/CdS113 4-6-1 تشکیل پوسته CdS بر روی هسته CdTe2113 4-6-2 تشکیل پوسته CdS بر روی هسته CdTe4116 4-6-3 تشکیل پوسته CdS بر روی هسته CdTe6119 4-6-4 تشکیل پوسته CdS بر روی هسته CdTe8122 4-6-5 تشکیل پوسته CdS بر روی هسته CdTe10125 پیشنهادات130 فهرست جداول جدول 2-1:خلاصه ای از نتایج مربوط به نانوبلورهای CdTe، CdTe/CdS و CdTe/CdS/CdZnS78 جدول 4-1:مکان پیک نورتابی و بازدهی کوانتومی نورتابی نمونه های (الف) CdTe2/CdS، (ب) نمونه های مرجع116 جدول 4-2:مکان پیک نورتابی و بازدهی کوانتومی نورتابی نمونه های (الف) CdTe4/CdS، (ب) نمونه های مرجع 119 جدول 4-3: مکان پیک نورتابی و بازدهی کوانتومی نورتابی نمونه های (الف) CdTe6/CdS، (ب) نمونه های مرجع122 جدول 4-4: مکان پیک نورتابی و بازدهی کوانتومی نورتابی نمونه های (الف) CdTe8/CdS، (ب) نمونه های مرجع125 جدول 4-4: مکان پیک نورتابی و بازدهی کوانتومی نورتابی نمونه های (الف) CdTe10/CdS، (ب) نمونه های مرجع127 فهرست تصاویر شکل1-1: شکاف انرژی مواد رسانا، عایق، نیمه رسانا4 شکل1-2: شکاف نواری مستقیم و غیر مستقیم در نیمه رساناها6 شکل 1-3: طرحی از تشکیل اکسیتون در اثر تابش11 شکل1-4: اکسیتون فرنکل و ونیر-مات12 شکل1-5: (الف) اتم پوزیترونیوم، (ب) طرحی از تشکیل اکسیتون ونیر-مات13 شکل1-6: (الف) تابش لبه نواری، (ب) تابش نزدیک لبه نواری،(ج) تابش از نقص ها یا فعال ساز ها15 شکل 1-9: اثر محدودیت کوانتومی در نیمه رساناها25 شکل1-10: انرژی های به دست آمده برای الکترون در جعبه با اندازه های متفاوت26 شکل1-11: واکنش نقاط کوانتومی با اجزای محلول29 شکل 1-12: تشکیل پوسته CdS بر روی هسته CdTe30 شکل1-13: مکان شکاف انرژی دسته ازعناصر نیمه رسانای توده ای31 شکل 1-14: انواع ساختارهای مغز-پوست32 شکل 1-15: طرحی از سنتز نانوبلورهای CdSe به روش آلی-فلزی38 شکل 1-16: طرحی از سنتز آبی نابلورهای CdTe38 شکل 1-17: مقایسه بین نقاط کوانتومی و رودامین از طریق (الف) نمودار Pl، (ب) نمودار جذب44 شکل 2-1: ساختار مولکولی (الف) TP، (ب) GSH و (ج) TGA55 شکل 2-2: (الف) نمودار جذب و (ب) فلورسانس نانو ذرات CdTeپوشیده شده با TP56 شکل 2-3: (الف) نمودار جذب و (ب) فلورسانس نانو ذرات CdTe پوشیده شده باTGA57 شکل 2-4: (الف) نمودار جذب و (ب) فلورسانس نانو ذرات CdTe پوشیده شده با GSH57 شکل 2-5: طیف نورتابی نانوبلورهای CdTeبا عامل پوششی (الف)TGA (ب) Cystiamine(ج) GSH61 شکل 2-6: XRDاز نانوبلورها CdTeپوشیده شده با TGA(الف) قبل ، (ب) بعد از تحت تابش قرار گرفتن61 شکل 2-7: طیف جذب و نورتابینانوبلورها CdTe پوشیده شده با عامل پوششی TGA62 شکل 2-8: (الف) طیف جذب، (ب) طیف نورتابی مربوط به نمونه های CdTe/CdS در زمان های مختلف حرارت دهی62 شکل 2-9: طیف جذب و نورتابی مربوط به نقاط کوانتومی CdTeو CdTeتحت تابش64 شکل 2-10: طیف جذب و نورتابی مربوط به نقاط کوانتومی CdTe/CdSتهیه شده در دمای cº10065 شکل 2-11: وابستگی آهنگ رشد واکنش به نسبت تیوره و کادمیوم در نانو ذرات CdTe/CdS65 شکل 2-15: (الف)طیف جذب، (ب)طیف نورتابی نقاط کوانتومی CdTe/CdS با نسبت های مختلف70 تصویر 2-16: تغییر پهنا در نصف ماکزیمم و پیک انتشار با تغییر در نسبت CdTe/CdS70 شکل 2-17: XRDمربوط به (الف)دانه هایCdTe (ب) هسته CdTeو (ج)ساختار هسته-پوسته CdTe/CdS72 شکل 2-18: تصویر TEMاز نقاط کوانتومی (الف) CdTe(ب) CdTe/CdSپس از h3 حرارت دهی در دمای cº9073 شکل 2-20: طیف جذب و نورتابی مربط به دانه CdTe و هسته CdTe74 شکل 2-21: طیف جذب و نورتابی مربط ساختار هسته/پوسته تک و پنج لایه75 شکل 2-22: (الف)طیف جذب و (ب)نورتابی مربط به نانو ذرات CdTe/CdS با لایه های متفاوت بین7-076 شکل 2-23: نسبت بازدهی کوانتومی و طول موج مربوط به پیک PL با تعداد لایه های پوسته76 شکل 2-24: طیف جذب و نورتابی مربوط به ساختار هسته و هسته/پوسته های نمونه های 1-379 شکل 2-25: طیف جذب و نورتابی مربوط به ساختار هسته و هسته/پوسته های نمونه های 4-680 شکل 2-26: TEMاز نمونه های(الف) CdTe،(ب) CdTe/CdSو (ج)CdTe/CdS/ZnS).81 شکل 2-27: TEMاز نمونه های(الف) CdTe،(ب) CdTe/ZnS82 شکل 3-1: طرحی از پیوند مولکول TGAدر نقاط کوانتومی CdTe.87 شکل 3-2: مراحل آماده سازی محلول NaHTeدر دمای اتاق89 شکل 3-3: اکسیژن زدایی محلول حاوی کمپلکس Cd-TGA90 شکل 3-4: مراحل تشکیل هسته CdTe را در حمام روغن cº100.91 شکل 3-5: تحول طیف جذب نانوبلورهای CdTeدرحین فرآیند حرارت دهی92 شکل 3-6: نمودار تغییر اندازه و تغییر شکاف انرژی نانو بلورهای CdTeنسبت به زمان حرارت دهی93 شکل 3-7: تحول طیف نورتابی نانوبلورهای CdTe با گذشت زمان حرارت دهی95 شکل 3-8: تغییرات شدت پیک نورتابی و مکان پیک طیف نورتابی نانوبلورهای CdTeنسبت به زمان حرارت دهی96 شکل 3-9: طیف نورتابی و جذب نانوبلورهای CdTe تهیه شده در زمان های حرارت دهی h6، h10، h14، h18.98 شکل 3-10: روند تغییر بازدهی کوانتومی نورتابی نانوبلورهای CdTeتهیه شده بر حسب زمان حرارت دهی100 شکل 3-11: (الف) نانوبلورهای CdTe، (ب) نانوبلورهای CdTe در حضور استون101 شکل 3-12:(الف) نانوبلورهای CdTeبعد از سانتریفیوژ(ب) رسوب نانوبلورها بر روی لامل.101 شکل 3-13: طیف پراش پرتو Xاز نانو بلورهای CdTeحرارت دیده شده به مدت h8102 شکل 4-1:ساختار مولکولی و تصویر بلورهای تیواستامید108 شکل 4-4: طرحی از ساختار هسته-پوسته CdTe/CdS112 شکل 4-5: تغییرات طیف جذب و نورتابی نمونه های CdTe2/CdSو نمونه های مرجع CdTe114 شکل 4-7: تغییرات طیف جذب و نورتابی نمونه های CdTe4/CdS و نمونه های مرجع CdTe4117 شکل 4-9: تغییرات طیف جذب و نورتابی نمونه های CdTe6/CdS و نمونه های مرجع CdTe6120 شکل 4-11: تغییرات طیف جذب و نورتابی نمونه های CdTe8/CdS و نمونه های مرجع CdTe8123 شکل 4-13:تغییرات طیف جذب و نورتابی نمونه های CdTe10/CdS و نمونه های مرجع CdTe10126 شکل 4-15: طیف پراش پرتو Xاز نانو بلورهای CdTe8/CdSکه به مدت min80 تحت حرارت دهی بود.129 فصل اوّل مبانی نورتابی1-1 مقدمه در این فصل در ابتدا مواد نیمه رسانا معرفی می شوند و در ادامه ساختار های نانومتری مختلف از این مواد، از جمله نقاط کوانتومی[1] توضیح داده خواهند شد. سپس به خصوصیات نوری منحصر به فرد وابسته به اندازه این مواد پرداخته می شود. در پایان به بررسی انواع مختلف این نقاط کوانتومی می پردازیم. 1-2 مواد نیمه رسانا ازنظر الکتریکی مواد مختلف به دو دسته عایق و رسانا تقسیم می شوند با این وجود خواص الکتریکی بعضی از مواد در حد فاصل رساناها و نارساناها قرار دارد. این دسته از مواد را اصطلاحا نیمه رسانا[2] می گویند. تفاوت عمده ای که بین این مواد وجود دارد در شکاف انرژی[3] مربوط به آن ها می باشد. رساناها دارای هم پوشانی ای از نوار رسانش و نوار ظرفیت هستند و قاعدتا شکاف انرژی در آن ها وجود ندارد. شکاف انرژی مواد عایق از مرتبه 9 الکترون ولت است و نوار ظرفیت کاملا پر می باشد بنابراین الکترون نمی تواند با وجود این اختلاف پتانسیل زیاد از نوار ظرفیت به نوار رسانش گذار کند. درمواد نیمه رسانا آنچه که تعیین کننده خواص اپتوالکترونیکی[4] می باشد شکاف انرژی بین نوار ظرفیت و نوار رسانش است در این مواد تراز الکترونی همان تراز ظرفیت است که کاملا با الکترون ها پر شده است. تراز کوانتومی رسانش عموما خالی از الکترون بوده که به اندازه شکاف انرزی Eg از تراز ظرفیت فاصله دارد. بنابراین برخلاف مواد فلزی تغییرات پیوسته انرژی الکترون در میان ترازها امکان پذیر نمی باشد درعوض کمترین انرژی که برابر با اندازه این شکاف باشد می تواند سبب برانگیخته شدن الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش شود. شکل 1-1 شکاف انرژی مواد رسانا عایق و نیمه رسانا را نشان می دهد]1[. شکل 1-1 شکاف انرژی مواد رسانا،عایق و نیمه رسانا 1-2-1 خواص مواد نیمه رسانا 1) مقاومت ویژه یکی از ویژگی‌های مهم در مواد نیمه‌رسانا، که آنها را از مواد رسانا متمایز می‌کند، چگونگی تغییر مقاومت ویژه‌ی الکتریکی آنها با اعمال تغییراتی در میدان الکتریکی، دما و امواج الکترومغناطیسی است. رابطه 1-1 مقاومت ویژه یک ماده نیمه رسانا را بر حسب تعداد الکترون های آزاد(n) و μ میزان تحرک الکترون (میزان برخوردهایی که الکترون در واحد حجم انجام می دهد) و e بار الکتریکی الکترون نشان می دهد. (1-1) برخلاف رسانا، در نیمه رسانا افزایش دما موجب کاهش مقاومت ویژه‌ی الکتریکی نیمه‌رسانا می‌شود. در این مواد تعداد الکترون های آزاد ثابت نبوده و با افزایش دما زیاد می شوند که این منجر به افزایش رسانندگی می شود. علاوه بر افزایش دما، با اضافه کردن مقادیر کمی ناخالصی به ماده‌ی نیمه‌رسانا نیز می‌توان تعداد حامل های بار الکتریکی را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داد]2[. 2) شکاف نواری مستقیم و غیر مستقیم در نیمه رساناها می‌توان نمودار نوار انرژی الکترون در مقابل اندازه حرکت را رسم کرد. مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، نسبت به هم، به دو صورت واقع می‌شوند. در حالت اول مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، مطابق شکل 1-2 (الف) در اندازه حرکت یکسانی قرار می گیرند و وقتی الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش جهش می‌کند، تغییری در اندازه حرکت آن به وجود نمی‌آید. گالیم آرسنید و اکسید روی مثال‌هایی از این مورد هستند. چنین موادی نیمه‌رسانای مستقیم نامیده می‌شوند. در مقابل ممکن است، مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، مطابق شکل 1-2(ب) در اندازه حرکت یکسان قرار نگیرند. بنابراین برانگیختگی یک الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، نه تنها نیاز به صرف انرژی زیادی دارد، بلکه، تغییری در اندازه حرکت آن به وجود خواهد آورد. با چنین موقعیتی در سیلیکون رو به رو هستیم. این مواد را نیمه‌رساناهای غیر مستقیم می‌نامیم. شکل 1-2 (a) شکاف نواری مستقیم و (b) غیر مستقیم در نیمه رساناها در نیمه‌رساناهای مستقیم، یک فوتون با انرژی Eg=hν ، می‌تواند یک الکترون را از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته کند(عبور مستقیم[5]). با این وجود در نیمه‌رساناهای غیرمستقیم، این نوع عبور، امکان پذیر نمی‌باشد. این موضوع به این دلیل است که فوتون‌ها اندازه حرکت بسیار کوچکی دارند، در حالی‌که الکترون باید دستخوش تغییر بزرگی در اندازه حرکت شود. در این موارد، گذار[6] الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، می‌تواند با برهمکنش یک فونون شبکه (انرژی گرمایی) رخ دهد، در این صورت اندازه حرکت مورد نیاز، تأمین می‌شود. البته گذارهای مستقیم الکترونی نیز امکان پذیر هستند، اما یک انرژی فوتونی مینیمم برای برانگیخته کردن الکترون مورد نیاز است که بزرگتر از شکاف انرژی می باشد. نورتابی[7] لومینسانس، تابش فوتون‌های ماورای بنفش، مرئی یا مادون قرمز از یک نمونه ی تحریک شده توسط الکترون‌ها است. اصطلاح لومینسانس از واژه ی لاتینی «لومن» به معنای «نور» گرفته شده‌است. لومینسانس اولین بار در سال ۱۸۸۸ توسط فیزیکدانی به نام ایلهارت وایدمن[8] برای توصیف تمام پدیده‌های نوری که صرفاً به علت افزایش دما به وجود نیامده‌اند، معرفی شد. تحريك با نور، ميدان الكتريكي يا گرما مي‌تواند تعدادي از الكترون‌ها را از نوار ظرفيت به نوار رسانش بفرستد. در اين حالت، تراز ظرفيتي كه خالي مي‌شود، «حفره» نام دارد، زيرا در طي اين رويداد، يك حفرة موقت در نوار ظرفيت به وجود می آید.تحريكي كه باعث جهش الكترون از نوار ظرفيت به نوار رسانش و ايجاد حفره مي‌شود، بايد انرژي‌اي بيش از پهناي شکاف داشته باشد. شکاف انرژی در نيمه‌رساناهاي توده‌اي، مقدار ثابتي است كه تنها به تركيب آن مواد بستگي دارد. الكترون‌هايي كه به نوار رسانش برانگيخته شده‌اند، برای مدت بسیار کوتاهی برانگیخته میمانند و فورا با آزاد کردن انرژی به حالت پایه بر می گردند. ﺍﻳﻦ ﺑﺎﺯﮔﺸﺖ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻥ ﻫﺎ، ﺑﺎ ﺗﺎﺑﺶ ﺍﻧﺮژﻯ ﺑﻪ ﺻﻮﺭﺕ ﻧﻮﺭ ﻫﻤﺮﺍﻩ ﺍﺳﺖ و ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﺍﻳﻦ ﻭﻳﮋﮔﻰ که ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻥ ﻫﺎ ﻣﺠﺎﺯ ﺑﻪ ﺩﺍﺷﺘﻦ ﺍﻧﺮژﻯ در فاصله ی بین شکاف نیستند ﻧﻮﺭ ﺗﻨﻬﺎ ﺩﺭ ﻃﻮﻝ ﻣﻮﺝ ﻣﻌﻴﻨﻰ ﺗﺎﺑﺶ ﻣﻰ شود. به فرآیند صورت گرفته لومینسانس گفته می شود. لومینسانس دارای انواع مختلفی می باشد که در جدول 1 آورده شده است. در این فصل فقط فرآیند فوتولومینسانس مورد بررسی قرار خواهد گرفت. 1-3 فوتولومینسانس[9]یکی از معروف ترین انواع لومینسانس است که در آن تحریک به وسیله فوتون ها صورت می گیرد. به لحاظ مکانیک کوانتوم، در این فرآیند برانگیختگی به سطوح انرژی بالاتر و سپس بازگشت به سطح انرژی پایین تر با جذب و نشر فوتون همراه است. شدت فوتولومینسانس بستگی به شدت نور برانگیزاننده دارد. جدول 1-1 انواع لومینسانس
1-3-1انواع فوتولومینسانس گسیل تابشی را براساس مسیری که الکترون برای بازترکیب طی می کند، می توان به سه دسته ی فسفرسانس، تابش های تشدیددار[10] و فلورسانس طبقه بندی کرد. فسفرسانسی یکی از اشکال مهم فوتولومینسانس می باشد که در آن انرژی فوتون های جذب شده سبب یک گذار از یک حالت الکترونی به یک حالت الکترونی دیگر با اسپین بالاتر، معمولا به یک حالت سه تایی، می شود (در حالت تکی اسپین الکترون برانگیخته شده با الکترون حالت پایه یکسان است). از این رو انرژی در حالت سه تایی به دام می افتد، زیرا گذار معکوس به حالت انرژی تکی پایین تر، از نظر کوانتومی غیر مجاز است. این موضوع به این معنی است که این گذار خیلی آهسته تر از گذارهای دیگر اتفاق می افتد. در نتیجه یک فرآیند آهسته از گذار معکوس تابشی به حالت تکی خواهیم داشت که گاهی اوقات دقیقه ها یا ساعت ها به طول می انجاند. در تابش های تشدید دار یک فوتون با طول موج مشخص جذب شده و فورا یک فوتون هم ارز گسیل می شود. این فرآیند به شدت سریع از مرتبه ns10 است. در فرآیند فلورسانس گذارهای انرژی درونی برای الکترون برانگیخته شده قبل از گسیل انرژی اتفاق می افتد. این اثر نیز یک فرآیند سریع می باشد اما در آن مقداری از انرژی اصلی تلف شده است. بنابراین فوتون های نور گسیلی انرژی کمتری دارند. طول عمر حالت های فلورسانسی کوتاه و در حد s 9- 10-5- 10 می باشد. با این وجود این زمان در مقابل زمان برانگیختکی که در حد 12-10-15- 10 ثانیه است، طولانی تر می باشد]4[. [1]Quantum Dots [2]Semiconductor [3]Band gap [4]Optoelectronic [5]Direct transfer [6]Transition [8]Eilhardt Widemann [10]resonance radiation جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |
||||||||||||||||||||||
