دانلود پایان نامه ارشد : سنتز و مطالعه خواص فیزیکی نانو ساختارهای اکسید نیکل برای کاربردهای حسگری
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 الکتروکرومیک[1] بعد از اکسید تنگستن است. به عنوان یک ماده الکتروکرومیک، به سبب بازده الکتروکرومیک ( ) بالا،
(1-1) |
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
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 اکسید 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 کروموژنیک[3] شناخته میشوند. این تغییر در خواص اپتیکی میتواند از طریق پرتودهی با نور (مواد فوتوکرومیک[4])، تغییر در دما (مواد ترموکرومیک[5]) و به کار بردن یک ولتاژ الکتریکی (مواد الکتروکرومیک[6]) 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 الکتروکرومیسم[7] 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.
نسخه قابل چاپ | ورود نوشته شده توسط نجفی زهرا در 1399/10/25 ساعت 10:47:00 ب.ظ . دنبال کردن نظرات این نوشته از طریق RSS 2.0. |