مطالعه ويزگي هاي نوري، ساختاري، مورفولوژيكي، الكتريكي و فوتوكاتاليتيكي نانوساختارهاي ZnS:Cu/SnS؛تهيه شده به روش حمام شيميايي

دكتري

چكيده در اين رساله لايه‌هاي نازك ZnS:Cu/SnS با به كاربردن روش لايه نشاني حمام شيميايي به طور غيرمستقيم روي زيرلايه‌هاي شيشه‌اي و پليمري انعطاف‌پذير (پلي‌استايرن) تهيه شدند. براي اين كار ابتدا لايه‌هاي نازك با كيفيت ZnS از نظر بلورينگي و تراكم بالا، يكنواخت و هموار بودن سطح لايه، خلوص بالا و چسبندگي قوي به زيرلايه و هم‌چنين شفافيت زياد در ناحيه مرئي با روش ساده و دوستدار محيط زيست حمام شيميايي با مدت زمان‌هاي لايه‌نشاني 2، 4 و 6 ساعت روي زيرلايه‌هاي شيشه و پلي‌استايرن نشست داده شدند. ويژگي‌هاي نوري، ساختاري، ريخت‌شناسي و كاتاليزگري نوري لايه‌هاي نازك ZnS تهيه شده با استفاده از طيف‌سنجي مرئي₋فرابنفش، طيف‌سنجي رامان، پراش پرتو ايكس، طيف سنجي فوتوالكترون پرتو ايكس، ميكروسكوپ الكتروني روبشي₋نشر ميداني، ميكروسكوپ الكتروني عبوري، ميكروسكوپ نيروي اتمي، طيف سنجي فوتولومينسانس مورد بررسي قرار گرفتند. با توجه به بررسي‌هاي انجام شده نتيجه گرفته شدكه لايه‌هايZnS به دليل عبور نوري بيش از 80% در ناحيه مرئي، شكاف انرژي پهن در حدود 3/1، 3/2 و 8/4 الكترون ولت و بازتابش كم‌تر از 5 % مي‌توانند به عنوان لايه‌هاي بافر و پوشش‌هاي ضد بازتابش انعطاف‌پذير در پيل‌هاي خورشيدي انعطاف‌پذير، دستگاه‌هاي فوتوولتايي و اپتوالكترونيك به كار روند. هم‌چنين لايه‌هاي انعطاف‌پذير ZnS خصلت آب‌دوستي دارند. لايه‌ نازك ZnS در معرض نور مرئي فعاليت كاتاليزگري نوري خيلي كمي در تخريب رنگدانه‌هاي رودامين بي از خود نشان داد. لايه‌هاي نازك ZnS:CuS از طريق غوطه‌ورسازي لايه‌هاي نازك ZnS با مدت زمان‌هاي غوطه‌ورسازي 5/0، 1 و 5 دقيقه در محلول حاوي يون‌هاي مس تهيه شدند. ويژگي‌هاي نوري، ساختاري، ريخت‌شناسي، الكتريكي و كاتاليزگري نوري لايه‌هاي نازك ZnS:CuS تهيه شده با استفاده از طيف سنجي مرئي₋فرابنفش، طيف سنجي رامان، پراش پرتو ايكس، ميكروسكوپ الكتروني روبشي₋نشر ميداني، ميكروسكوپ الكتروني عبوري، ميكروسكوپ نيروي اتمي، طيف‌سنجي فوتولومينسانس، دستگاه اندازه گيري جريان ₋ ولتاژ و مقاومت‌سنج چهار نقطه‌اي مورد بررسي قرار گرفتند. پراش پرتو ايكس و رامان وجود دو فاز ZnS مكعبي وCuS هگزاگونال را در لايه‌هاي ZnS:CuS حاصل تاييد كردند. هم‌چنين تصوير ميكروسكوپ الكتروني عبوري تاييد كننده تشكيل نانوكامپوزيت ZnS:CuS در لايه تهيه شده بود. لايه‌هاي ZnS:CuS تهيه شده داراي تركيب‌هاي شيميايي 49/0S 03/0 Cu48/0 Zn و 49/0S 06/0 Cu45/0 Zn و 47/0S 48/0 Cu05/0 Zn بودند و به ترتيب عبور نوري 74-57، 70-56 و 47-38 % در محدوده 700 ـ 500 نانومتر و مقاومت سطحي 103×7/7، 103×5/5، و 103×8/3 اهم/سطح مربع داشتند. لايه‌هاي با تركيب شيميايي 49/0S 06/0 Cu45/0 Zn به دليل شفافيت بالا و مقاومت سطحي پايين قابليت كاربرد در دستگاه‌هاي فوتوولتايي و اپتوالكترونيك انعطاف‌پذير را دارند. هم‌چنين لايه‌هاي تهيه شده فعاليت كاتاليزگري نوري در معرض نور مرئي از خود نشان داده و با افزايش مقدار مس در آن‌ها اثر كاتاليزگري نوري در تخريب رنكدانه‌هاي رودامين بي افزايش يافت به طوري كه لايه‌هاي حاصل از 5/0، 1 و 5 دقيقه غوطه‌ورسازي، به ترتيب در حدود 10% ، 20% و 40% از رنگدانه آلاينده آب (رودامين بي) را تخريب كردند. در ادامه، براي تهيه لايه‌هاي نازك ZnS:Cu/SnS به روش حمام شيميايي، لايه‌هاي نازك ZnS:CuS تهيه شده روي زيرلايه‌هاي شيشه و پلي‌استايرن در محلول حاوي يون‌هاي2+ Sn و2- S قرار داده شدند. ويژگي‌هاي نوري، ساختاري، ريخت‌شناسي و الكتريكي لايه‌هاي نازك ZnS:Cu/SnS با استفاده از طيف‌سنجي مرئي₋فرابنفش، طيف‌سنجي رامان، پراش پرتو ايكس، طيف سنجي فوتوالكترون پرتو ايكس، ميكروسكوپ الكتروني روبشي₋نشر ميداني، ميكروسكوپ الكتروني عبوري، ميكروسكوپ نيروي اتمي، طيف سنجي فوتولومينسانس، دستگاه اندازه‌گيري جريان- ولتاژ و دستگاه مقاومت سنج چهار نقطه‌اي مورد بررسي قرار گرفتند. نتيجه تجزيه عنصري پرتو ايكس (EDX) وجود عناصر Zn، Cu، Sn و S را در لايه ZnS:Cu/SnS تشكيل شده تأييد كرد. در الگوي پراش پرتو ايكس ₋گريزينگ دو پيك مشخص در زاويه‌هاي °49/28 و° 47 كه به ترتيب با صفحات (112) و (220) مطابقت دارند به ساختار كسترايت Cu2ZnSnS4(CZTS) تتراگونال نسبت داده شدند. الگوي پراش پرتو‌ايكس تأييد كننده تشكيل CZTS بلوري روي زيرلايه پلي‌استايرن بود. اندازه نانوبلورهاي ذرات CZTS با به كار بردن معادلۀ ويليامسون- هال در حدود 2/33 نانومتر تخمين زده شدند. شكاف انرژي لايه‌ها در حدود 71/1 الكترون ولت به‌دست آمد كه نسبت به شكاف انرژي CZTS توده‌اي (69/1-45/1 الكترون ولت) بيش‌تر بود كه مي‌توان آن را به اثر اندازه نانو‌بلورها نسبت داد. مطالعه ريخت‌شناسي سطح لايه‌ها حاكي از تشكيل لايه‌هاي متراكم، بدون ترك و خلل و فرج روي زيرلايه انعطاف پذير بود. در اين مورد نتايج حاصل از ميكروسكوپ نيروي اتمي و ميكروسكوپ الكتروني روبشي ₋ نشر ميداني در توافق خوبي با يكديگر بودند. مقاومت سطحي لايه‌هاي CZTS در حدود 103×1/1 اهم‌/ سطح مربع به‌دست آمد و اندازه‌گيري زاويه تماسي لايه‌هاي جاذب CZTS با قطره آب نشان داد كه لايه‌ها خصلت آبدوستي دارند. واژه‌هاي كليدي: لايه نازك ZnS، انعطاف‌پذير، لايه نازك ZnS:CuS، كاتاليزگري نوري، آبدوستي، لايه نازك CZTS.

193118

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر محمدرضا واعظي

شيمي فيزيك

دكتر بهشته سهرابي