پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مواد گرایش انتخاب و شناسایی مواد فلزی

عنوان:

ساخت و بررسی رفتار الکترواپتیک نانوالیاف ZnO آلاییده شده با Al

استاد راهنما:

دکتر حمید اصفهانی

اساتید داور:

دکتر شهاب کاظمی

دکتر یوسف مظاهری

نگارش:

سهیلا اوصالی

چهارشنبه، 4 مهر 1397

دپارتمان مواد، کلاس 9

ساعت: 18-16

Thesis submitted for Master of Materials science and engineering- Materials selection for engineering design

Title

Fabrication and study of the optoelectronic behavior of Al doped ZnO nanofibers

Supervisor

Dr. Hamid Esfahani

Reviewers

Dr. Shahab Kazemi

Dr. Yusef Mazaheri

By:

Soheila Osali

September, 26, 2018

Class 9, Material Department

4-6 P.M.

 

چكيده:

در سال‌‌های اخیر لایه‌‌های نازک اکسید روی (ZnO) به دلیل خواص فیزیکی، الکتریکی و شیمیایی به طور وسیعی مورد استفاده قرار گرفته¬اند. در این مطالعه خواص ریزساختاری و الکترواپتیک لایه‌‌های نانو ساختار اکسید روی خالص و آلاییده به آلومینیوم (AZO) (با مقادیر 2 تا 6 درصد وزنی) که به روش الکتروریسی ساخته شدند، بررسی شد. برای این منظور، ابتدا محلول پلیمری PVP/ استات روی تهیه و سپس با کنترل پارامترهای الکتروریسی و عملیات حرارتی در دمای 250 درجه سانتی¬گراد، پوشش اکسید روی آلاییده با مقادیر مختلف آلومینیوم سنتز شد. نتایج SEM و FESEM نشان دادند که فرایند کلسینه شدن موجب تغییر مورفولوژی ساختارهای AZO شده است. به طوری که نانوالیاف با میانگین قطر 110 نانومتر تبدیل به پوششس متشکل از نانوذرات پیوسته شدند. لایه نازک تشکیل شده دارای ظاهری شفاف و ضخامتی در حدود 875 نانومتر بود. نتایج آزمون‌‌های XRD و Mid-FTIR نشان دادند که پس از کلسینه شدن، اکسید روی خالص با ساختاری بلوری تشکیل شده است و آلایش Al در ساختار بلوری اکسید روی بدون تشکیل فاز ثانویه انجام شده است. آلایش بیش از 2 درصد وزنی Al باعث انتقال Al3+ اضافی از مکان‌‌های بین‌‌نشین به موقعیت‌‌های تهی‌‌جای روی شد. افزودن Al موجب کوچک شدن اندازه بلور در صفحه (002) در محدوده 14 تا 16 نانومتر شد که نشان‌‌دهنده تولید AZOها با ساختاری نانو است. طیف Far-FTIR نشان داد که آلایش 4 و 6 درصد وزنی Al باعث تغییر پیوند Zn-O و انتقال به سطوح بلاتر انرژی شد. نتایج بررسی فوتولومینسانس (PL) نشان داد که پیک اضافی مربوط به انتشار بنفش در نمونه‌‌های دارای Al ظاهر شد. نقص‌‌های ایجاد شده در ساختار AZO به عنوان لومینسانس عمل کرده و شدت نور در محدوده مرئی را کاهش دادند. هم‌‌چنین نتایج طیف سنجی PL نشان داد که افزودن Al با 6 درصد وزنی نه تنها موجب کاهش باند ممنوعه نسبت به نمونه‌‌های با آلایش Al کم‌‌تر شد، بلکه تابش نور مرئی را بیش‌‌تر قطبی کرده است. نتایج بررسی رفتار الکترواپتیک در محدوده UV-Vis نشان داد که انتقال نور در محدوده مرئی نمونه‌‌ها، بیش از 83 درصد بود. بررسی‌‌های بیش‌‌تر انرژی باند ممنوعه در محدوده UV و مرئی نشان داد که آلایش Al موجب کاهش باند ممنوعه لایه‌‌های اکسید روی الکتروریسی شده، تا حدود 05/3 الکترون ولت شد. این امر موجب ایجاد حامل‌‌های الکترون و حفره با چگالی بسیار زیاد در ساختار AZO شده است. به این ترتیب نشان داده شد که روش الکتروریسی روشی عملی برای ساخت پوشش‌‌های سرامیکی شفاف AZO است. این لایه‌‌ها کاربردهای وسیعی در دستگاه‌‌های الکترواپتیکی دارند.

واژه‌‌های کلیدی: AZO، الکتروریسی، نانوالیاف، لایه‌‌های نازک، بلورشناسی، فوتولومینسانس، باند ممنوعه

 

 

Abstract:

                    Zinc oxide (ZnO) thin film has in recent years emerged due to its unique physical, electrical and chemical properties.In this study The microstructural and optical properties of nanostruchured undoped and doped with aluminum ZnO films(AZO nanostructure films)  fabricated via electrospinning and post-calcination, were investigated. Results indicated that the calcination process drastically changed the morphology of AZO coat from nanofibrous mats (with average diameter 100 nm) to perfectly linked NPs. The results showed that AZO films exhibited transparent appearance and their average thickness was 875 nm. XRD and Mid-FTIR analysis revealed that pure and crystalized ZnO was achieved after calcination, and Al incorporation deformed the ZnO lattice without forming any second phase. Increasing Al3+ dopant beyond 2 wt% Al3+ cations, resulted in transfering of additional Al3+ from interstitial sites into the zinc vacancies. The crystallite size of (002) plane of Al-doped ZnO was in the range of 14–16 nm indicating the nanostruchured AZO films. Far-FTIR analysis indicated that doping ZnO with 4 and 6 wt% Al resulted in the Zn-O bond shifting towards higher energy levels. Additionally, while pure ZnO did not develop a violet emission in its PL spectrum, Al-doped ZnO exhibited violet emission. The defects created in the AZO system acted as luminescence quenchers and decreased the intensity of emitted visible light. Furthermore, PL spectroscopy results indicated that doping with 6 wt% not only reduced the optical band gap more effectively, but also polarized the visible lights more than those doped with lower Al contents. The optical transmittance of AZO films was higher than 83% in visible light range. Further investigation of band gap energy in the range of UV–Vis spectrum revealed that Al doping diminished the optical band gap energy (3.05 eV) electrospun ZnO films. This was ascribed to creation of substantial amount of electron and hole carriers in the subatomic structure of AZO. As such, It was found that electrospinning is a practical method for fabricate the transparent AZO film, and nanostructured AZO product can be employed for electro-optical applications.

Key Words: AZO, Elecrtospinning, Nano fibers, Thin films, Crystallography, Photoluminescence, Bandgap

 

مشخصات فردی

نام و نام خانوادگی: سهیلا اوصالی

رشته تحصیلی : مهندسی مواد

مقطع: کارشناسی ارشد

            پست الکترونیک: osali.soheila.92@gmail.com

سوابق تحصیلی

کارشناسی مهندسی مواد –متالورژی صنعتی دانشگاه صنعتی سهند (90-95)

علایق و تواناییهای فردی

            MATLAB, Solid Work

            مسلط به نرم افزارهای Office، Origin Pro، X’Pert HighScore، ImageJ

            کار با دستگاه­های الکتروریسی، کوره، Dip coating، دستگاه سختی سنج

            توانایی جوشکاری، ریخته­گری، نورد، متالوگرافی